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大连理工大学大学生创新创业训练计划
工程开题报告
基于石墨烯改性的汽车金属零部件
锌铝防腐涂层制备与性能研究沈心
园创新训练口科研训练
一创业训练厂创业实践陈广义
运载工程与力学学部汽车工程学院大连理工大学
汽车金属零部件的腐蚀不仅仅会造成经济损失和环境污染,同时还会产生严重的汽车平安问题。外表防腐处理技术是能够阻止或减少金属件腐蚀最有效、最经济、应用最广泛的手段和方法。目前,最常用的防腐方法是通过物理的、化学的、电化学的工艺方法在金属材料外表覆盖上其它金属或非金属作为保护层,借助这一保护层使金属构件与腐蚀介质隔离开来,从而阻止或减缓金属腐蚀。与电镀、热浸镀技术相比,采用涂料涂层防护的方法具有较强的操作性,较高的性价比,以及较低的施工运作本钱,是当前最普遍、最经济、最实用的金属保护措施。
目前,汽车金属零部件领域大量采用的是美国METALCORTLNGINTERNATIONAL公司的达克罗(Dacromet)技术,该技术以金属Zn片为主同时加入A1片、倍酸、去离子水做溶剂的高分散水溶性涂料,涂装到金属件上,并经过烘烤后形成薄薄的涂层,该涂层可为金属尤其是钢铁件基体提供牺牲阳极的阴极保护。虽然达克罗性能比拟优异,但该涂层中含有的六价格Cr(VI)毒性极强,对环境的危害很大,欧盟在2000/5/24正式颁布的《关于报废汽车的技术指令》(2000-53-EGELV指令)中规定,2003年7月1日后在欧洲投放市场的车辆材料和元件中不得包含六价铭(豁免条例中规定的应用除外,Cr(VI)lOOOppm),2005年公布的2005/673/EC号ELV零件豁免指令规定,2007年7月1日后防腐涂层中禁止使用Cr(VI)0随后在电子电器领域,欧盟《关于报废电子电气设备指令》(2002-96-ECWEEE指令)和《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》(2011/65/EU新版RoHS指令)指令中规定,投放欧盟市场的电子电气产品Cr(VI)%。与此同时,我国也加大了对达克罗的限制,我国从2007年开始也加快了达克罗技术的限制步伐,在《钢铁工业水污染物排放标准》(GB13456-2012)中也规定从2009年起,。因此开展绿色环保的无铭达克罗技术的研发对于汽车行业来说至关重要。
本课题针对上述问题开展汽车金属零部件外表绿色环保高性能涂料与涂层技术的开发。基于石墨烯改性片状锌-铝粉体为主要基质的水性环保型重防腐工业新型环保材料。是以一种新型的无铭钝化成膜液为主要成膜物质,通过特殊的物理、化学处理工艺,在成膜过程中将石墨烯包覆改性的纳米片状锌、铝粉层层堆叠覆盖在金属基底上,从而形成一种具有超强防腐能力的无铭绿色环保防护材料。该材料依靠电化学及物理防腐机理实现对金属制件的防腐功能化,其防腐机理主要表达以下两个方面,一、物理防腐功能。层层有序堆叠的片状金属可以有效的隔离空气和水分,起到物理防腐的作用。二、电化学防腐功能。锌、铝作为活泼金属,可以与钢铁基体材料构成原电池系统,通过牺牲阳极的阴极保护机理,实现对钢铁制件的防腐处理。同时,具有高比外表积和高传导性的石墨烯材料能够赋予整体涂层更优异的防腐性能,从而可以进一步提高汽金属制件的耐腐蚀性能.
2国内外研究概况及开展趋势
国外汽车及其零部件防腐领域率先开始了对含格达克罗产品的淘汰进程,并加快了无铭锌铝涂层技术的研发,目前国外水性无格达克罗的主流产品为美国MCIK法国Dacral>巴西MCB和日本NDS公司共同研制开发的交美特(Gcomet)技术。Gcomet采用水性有机硅作为主要粘结剂,彻底摒弃了有机格的使用,涂料的生产、涂装和使用过程中均不会对环境造成污染,所以该产品一经推出立刻在各个工业领域获得了极大的关注和应用,尤其是在汽车行业,世界知名的汽车公司如宝马、福特、通用、菲亚特、沃尔沃、戴姆勒-克莱斯勒等都采用了无倍达克罗涂料对其零部件进行涂装防腐。
近年来国内、外在无格达克罗技术方面也取得了一定的研究成果,,并采用微观形貌表征分析与电化学方法对该涂层进行了系统的测试分析,为后续的研究提供了实验及理论基础。李庆鹏等采用片状锌粉和铝粉为主要填料,硅烷
AT87为成膜物,制备了一种水性无铭达克罗涂料,该水性无格达克罗涂料具有比拟好的储存稳定性,涂装后的无铭水性涂层外表均匀平整,并表现出了较好的防护性能。廖嘉炜等人制备了一种以***三甲氧基硅烷(MTMS)作为粘结剂的无铭锌铝涂层,通过动电位极化曲线测量及5%NaCl溶液浸泡试验证明该涂层具有更好的耐蚀性。
目前无铭达克罗产品虽然比拟环保,但也存在很多问题,主要表达在以下两个方面:一是耐蚀性能不如含格达克罗,相同厚度的达克罗涂层耐盐雾试验时间约为无铭达克罗涂层的L5〜2倍,因此无铭达克罗一般需要搭配面层组成复合涂层使用;二是无格锌铝涂液的本钱要比锌铝铭涂层高许多,因此其售价高昂。Delta涂液的在欧洲的售价为40欧元/kg,Geomet在我国的售价在人民币250元/kg以上,高昂的价格极大地限制了无格达克罗的推广应用。因此开发具有完全自主知识产权的无铝水性锌、铝基防腐涂料对我国汽车整车及零部件的防腐和平安性能具有十分重要的意义。
3工程主要研究内容
本工程研究主要开展汽车金属制件外表防腐涂层设计与防腐蚀性能研究,主要研究内容包含以下几点:
(1)开展基于石墨烯改性的水性锌-铝涂层材料的设计合成实验
在无辂钝化成膜液的基础上,通过优化涂料成分、锌粉、铝粉的规格及用量、石墨烯用量及复合方式、涂料助剂等多个因素,确定石墨烯改性的水性无铭锌铝防腐涂料的配方和合成技术。对制备出的涂料的各项物理性能包括粘度、分散性、稳定性以及酸碱度进行分析研究,评价新型石墨烯改性水性金属高防腐锌铝涂料的综合性能。
(2)开展基于离心浸涂、喷涂、电泳涂装等在内的多种涂装工艺试验
研究包括离心浸涂、喷涂、电泳涂装等工艺方法对包括汽车紧固件在内的关键金属零部件进行涂装,并在高温烘烤工艺条件下(300℃,30min)获得一层涂覆完整均匀的超薄防护涂层(15um左右)。分析不同涂装材料、浸涂离心时间、转速、烘烤温度等关键参数对最终涂层性能的影响规律,优化相关工艺参数并反应于后续的涂料合成及涂装过程,以获得更优的涂层结构与性能。
(3)开展涂装材料与涂层的物性表征测试分析研究
采用现代测试表征分析方法,如X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、元素能谱分析(EDS)以及X射线光电子能谱分析(XPS)等对合成出的涂料与涂层的晶体结构、微观形貌、结构以及化学元素组成成分进行表征分析,以指导优化涂料合成与涂装实验及后续的防腐性能研究。
(4)开展基于石墨烯改性的无铝锌-铝涂层电化学防腐性能测试研究
分别以外表涂装了石墨烯改性的无铭锌-铝防腐涂料的金属零部件为工作电极、伯电极为对电极,Ag/AgCl或者饱和甘***电极为参比电极,Nacl水溶液为腐蚀电解液,构筑基于三电极体系的锌-铝涂层电化学防腐性能研究测试装置。运用电化学工作站对表面涂装有锌-铝防腐涂层的汽车零部件的电化学性能进行研究。测试研究手段包括循环伏安法
(CV)、线性伏安法(LSV)、交流阻抗(EIS)o研究测试工程包括腐蚀电流、腐蚀电位、交流阻抗等关键参数,从而对其防腐性能进行综合评价。
4已完成的前期研究工作和成果
工程前期研究工作主要包括查阅相关文献资料,了解掌握水性无铭达克罗涂层的制备与电化学防腐机理及相关研究领域目前的研究进展及研究重点、难点。设计相关实验方案并讨论其可行性。初步开展了基础涂料的合成制备实验,以超薄片状锌、铝粉和KH560为主要原材料,再辅以自制的无铭钝化液,初步合成出了一种新型水性无铭锌-铝基防腐材料,该涂料在高温烘烤条件下可以固化成膜,对汽车零部件进行防腐保护。下一步将采用石墨烯对该涂料进行复合改性,并运用XRD、SEM等现代表征方法对其化学成分、微观形貌结构等进行了初步的表征,最后对所得涂层进行电化学防腐性能方面的测试研究工作。
图1片状锌、铝粉和己制备出的水性无铭锌-铝防腐涂料
石暴爆包腹改性片状甘、沼的工艺技术研究
片、悠物与***化石果
»(GO)外表电荷修
饰技术研究
基于II电自组装过粗的GO包
X改性金H粒技术研究
”电自组装过程中的反
—>应动力学因素对过程及结臬的影哨规律加究
新型石以爆改性水性金属高防腐桂铝涂料制备工艺与工业化生产技术
水性无格择始防剧泳
料成分及配方设计
水性无德佳铭防徐科制备
工艺及工业化生产技术研究
水性无格特格防JR涂料
综合性能分析与评价
新*石墨第或性高防腐谷蛤涂层制备技术
水性无辂锌用防腐涂料
的泳装工艺技术研究
无铅锌铝防察徐层固化
工艺技术研究
无格伴格防居深层嫖
合性能分析与评价
新力石果烯改性高防裒悻蛤涂层耐腐独性能研究
无格锌铭涂度*规防0!
慢性能研究
无德祥铝泳屋电化学防
剧性性能研究
5工程研究方案、进度安排及预期目标工程研究方案:
进度安排:
—
—
—
—
预期目标:
前期准备,查阅相关文献资料,讨论研究方案的可行性;石墨烯改性无铭锌-铝涂料与涂层的设计与制备实验;石墨烯改性无铝涂层材料形貌、结构物性表征分析;
石墨烯改性无铭锌-铝涂层电化学防腐装置的设计组装;石墨烯改性无铭锌-铝涂层电化学防腐性能的测试研究;撰写科研论文及工程总结报告。
(1)
设计并合成一种新型的基于石墨烯改性的高性能绿色环保汽车金属件防腐涂
层材料;
(2)
(3)
基于石墨烯均匀混合与三明治复合结构的锌-铝防护涂层;
设计并组装基于三电极体系的汽车金属件电化学防腐性能测试装置;
(4)相关研究成果以论文或专利形式表达,预计发表1-2篇科研论文或申请1项创造专利。
6工程经费预算安排
材料费:4500元
主要用于购买涂料合成及防腐性能测试实验所需的原材料、化学药品、电极装置以及各种辅材。
资料、打印、复印等费用:500元合计:5000元
7预计完成过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施
预计完成过程中可能遇到的困难主要会出现在以下几个环节面:
(1)石墨烯改性无铭锌铝涂料的配方设计与合成实验;
(2)汽车金属零部件外表涂装工艺方面,包括离心浸涂、喷涂、电泳涂装等关键工艺参数确实定;
(3)电化学腐蚀测试装置的设计、搭建以及电化学防腐性能的测试研究。
解决措施包括:查阅相关文献资料、与指导老师及课题组研究生学长进行讨论分析、系统开展比照实验以确定最优实验参数。
8参考文献
(1)欧玉春,童忠、,2009年.
(2)任鹏禾,周宏明,,2018,31,73-80.
(3)廖嘉炜,王冠,***,2017,36,478-482.
(4)PreparationandCharacterizationofCr-.,14(2019)8650-8661.
(5)李春涛,吉国强,,2020,50,21-25.
(6)Preparationandcorrosionresistanceofchromium-freeZn-&,366,1-6.
(7)蔡家斌,肖齐洪,
,31,565-575.
(8)宋积文无格水性锌铝涂层制备、性能及耐蚀机理的研究(硕士学位论文)
(9)赵晓莹水性无格达克罗涂料配方研究及其涂层性能测试(硕士学位论文)
中国海洋大学2014.
北京化工大学2019.
贵州大学2019.(硕
(10)肖齐洪石墨烯增强绿色达克罗涂层制备及防护机理研究土学位论文)