高性能耐磨耐蚀复合涂层用钛酸钾镁的离子交换改性外文翻译资料

 2022-08-04 02:08

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外文资料翻译

原文名称 Ion-exchange modification of potassium magnesium

titanate for high-performance wear–corrosion-resistant composite coatings

原文出版物 Composites amp; nanocomposites

翻译内容页码 13836–13851

中文名称 高性能耐磨耐蚀复合涂层用钛酸钾镁的离子交换改性

高性能耐磨耐蚀复合涂层用钛酸钾镁的离子交换改性

摘要：以钛酸钾镁晶须(K0.8Mg0.4Ti1.6O4，KMTO)为原料，通过第一次不同程度的离子控制交换反应和随后的热处理，获得了K2MgTi7O16@K0.8Mg0.4Ti1.6 O4(PMTC)核壳复合晶须和二氧化钛晶须。这些材料已成功地用作功能填料，以提高氟-烯烃乙烯基醚共聚物(FEVE)氟碳涂料的性能。摩擦学和电化学阻抗谱结果表明，与KMTO/FEVE复合涂层相比，PMTC晶须和TO晶须能显著提高FEVE复合涂层的摩擦性能和耐腐蚀性能。特别是5wt% PMTC/FEVE复合涂层显示出增强的耐磨性(摩擦系数为0.632。磨损体积损失比纯FEVE涂层低0.006 mm3(虚构系数0.865，磨损体积损失0.177 mm3)和10 wt%的|Z|0.01 Hz值TO/FEVE复合涂层为109.8omega;·cm2与纯涂层(~ 107omega;·cm2)相比，具有很高的防护性。此外，利用扫描电镜对复合涂层的断面、磨损表面和磨屑的微观结构进行了分析，揭示了相关的抗磨损和抗腐蚀机理。本工艺和设计可以扩展到各种其他层状材料的合成和改性，包括钛酸盐、钽酸盐、硫属黄铁矿等。

引言

钛酸盐是一组由钛、氧和一种或多种其他金属元素组成的无机化合物，广泛应用于光催化、传感器、增强材料、离子交换剂等领域。因为它们具有高介电常数、良好的绝缘性、光学性能、压电性能和热电性能。钛酸盐晶须作为金属和聚合物陶瓷复合材料的结构增强材料是众所周知的，因为它们具有优异的机械性能和热稳定性。例如，Tjong等人研究了含钛酸钾晶须和液晶共聚酯的聚丙烯杂化复合材料的微观结构和力学性能。王等设计了一种新型的环氧涂料载体amp;乙二胺四(亚甲基膦酸)和咪唑啉改性介孔二氧化钛晶须，以提高其防腐性能和阻垢性能。李等系统地研究了两种钛酸钠铁片晶和晶须对复合镀层摩擦学和腐蚀行为的影响。在众多钛酸盐中，锂云母型层状钛酸盐(AxMyTi1-yO4，其中A = K，M =锌，镁，镍，铜，三价铁和三价锰；A = K，Rb，和Cs，M = Li；A = Cs，M = Zn，Ni，Mg，Nb；A = Cs，M =阳离子空位)显示出作为催化剂和电活性组分的巨大潜力，并且也是自上而下合成分子薄二维纳米片的有吸引力的前体。层状晶体结构的钛酸钾镁(K0.8Mg0.4Ti1.6O4，KMTO)因其廉价、优异的机械性能和离子交换性能而受到广泛关注，可用作摩擦材料、增强材料和离子交换材料。然而，由于碱金属离子的挥发性，缺陷的形成可能会改变这些材料的结构和性能。KMTO的层间离子可以与各种无机或有机阳离子交换，Park等人认为聚酯树脂中必须避免溶解钾的影响。众所周知，关于层状材料增强聚合物涂层的摩擦学和抗腐蚀综合性能的研究报道很少。因此，我们提出了一种离子交换改性的方法，以防止钾离子泄漏到无机/有机界面而导致的KMTO增强聚合物的结构损伤和性能退化。在这篇论文中，钛酸钾镁核-壳复合材料(K2MgTi7O16 @ K0.8Mg0.4Ti1.6O4，PMTC)和二氧化钛(二氧化钛，TO)通过第一次受控离子交换和随后的KMTO煅烧制备(如图1所示)。研究了三种填料(KMTO、TO和PMTC)对氟烯烃乙烯基醚共聚物氟碳涂料耐磨性和耐腐蚀性的影响。发现KMTO中的层间离子会降低FEVE涂层的防护效果，但KMTO的衍生物PMTC和TO可以显著提高FEVE涂层的耐磨性和耐腐蚀性。钛酸盐/FEVE复合涂层的磨损和腐蚀性能的提高主要是由于功能性无机填料和聚合物基体之间的界面的改善，通过在无机填料周围产生惰性表面，可以防止层间金属离子迁移到复合材料中的无机/有机界面。我们的研究结果有望为包括一维纤维、二维片晶等多种形态的类似层状离子交换材料的复合应用提供有价值的参考。

图一：K0.8Mg0.4Ti1.6O4(KMTO)晶体向TiO2(TO)晶体和K2MgTi7O16@ K0.8Mg0.4Ti1.6O4(PMTC)核壳晶体的结构转变是通过包括第一次受控离子交换和随后煅烧的组合过程实现

实验

试剂和材料

二氧化钛(TiO2，AR)、碱式五水碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O，AR)和乙酸丁酯购自国药化学试剂有限公司(中国)。碳酸钾、氯化钠(NaCl，AR)、氯化钾(KCl，AR)和冰醋酸(AR)购自上海凌峰化学试剂有限公司(中国)。无水乙醇(gt; 99.7%)购自无锡亚盛化工有限公司(中国)。FEVE树脂(JF-2X)由常熟3F氟化工有限公司(中国)提供。多异氰酸酯固化剂(N3390)购自拜耳(德国)。丙二醇单甲醚乙酸酯(99.0%)从阿拉丁化学试剂有限公司(中国)获得。碳钢薄板(150 mm times; 70 mm times; 1 mm)购自昆山鑫恒精密模具五金有限公司(中国)。

层状KMTO及其衍生物TO和PMTC的合成

使用与我们之前工作中所述相同的方法，通过熔盐法合成了发育良好的KMTO晶须。简而言之，将二氧化钛、碳酸钾和碳酸镁的起始原料(钛/钾/镁= 4∶2∶1)与氯化钠-氯化钾熔盐以一定的摩尔比(NaCl/KCl = 1∶1)混合。混合物在1050℃下煅烧4小时。冷却至室温后，用蒸馏水洗涤产物以除去氯化钠，然后在100℃下干燥12小时。通过离子提取获得目标物。简而言之，质子型钛酸盐(H2Ti2O5，H2O，HTO)首先通过将KMTO与1 mol/L HCl溶液混合并搅拌3 h以用H H2O交换层状结构中的K 和Mg2 离子来制备。然后用蒸馏水洗涤HTO，并在100℃下干燥12小时。最后，将HTO在800℃下煅烧4小时，得到产物t0。PMTC是通过部分离子交换获得的。为了减少钾离子和镁离子在高锰酸钾溶液中的交换，高锰酸钾溶液与0.1mol/L盐酸溶液磁力搅拌10分钟，以获得含质子的锂云母，其中钾离子和镁离子部分与氢离子交换。然后将获得的粉末浆料用蒸馏水洗涤，并在100℃下干燥12小时。之后，将产物在800℃下煅烧4小时以获得PMTC。

复合涂层的制备

以碳钢薄板为金属基体。用400粒度的砂纸研磨它们以去除表面氧化层，然后用乙醇冲洗。为了制备复合涂层，将FEVE树脂(50克)、乙酸丁酯(25克)和丙二醇单甲醚乙酸酯(25克)在2000转/分钟下搅拌20分钟，直到获得均匀的溶液。然后，一定量(5、10或15wt%)的钛酸盐粉末(KMTO、TO或PMTC)和多异氰酸酯固化剂(固化剂/FEVE树脂的质量比为1∶5)依次加入到混合物中。作为比较，还制备了不添加钛酸盐粉末的纯FEVE涂料样品。随后，将混合物在室温下置于真空烘箱中20分钟以除去气泡。最后，使用湿膜厚度可控的湿膜制备装置将混合物均匀涂布在钢基体表面，制备的涂层在室温下固化24 h。测量所有制备的干涂层的厚度为40plusmn;5 mu;m。

摩擦学性能表征

用多功能材料表面性能测试仪(CFT一号，中国兰州中科华凯科技发展有限公司)表征制备的涂层的摩擦学性能。所有试验都是在室温下干滑动摩擦条件下进行的。摩擦部件是一个直径为4毫米的GCr15钢球，钢球以500转/分钟的给定滑动速度和5毫米的振幅抵靠在固定的涂有油漆的钢板上。摩擦试验在3 N的恒定载荷下进行，试验持续时间为15分钟。耐蚀性表征用

电化学工作站(中国上海华晨仪器有限公司CHI660D)对制备的涂层的耐蚀性能进行了表征。试验采用三电极系统，包括作为工作电极的涂漆钢板、作为参比电极的银/氯化银电极和作为辅助电极的碳棒。交流阻抗频率范围为10–2至105赫兹，振幅为20毫伏。测试在室温下进行，腐蚀介质为3.5wt%氯化钠溶液。

其他表征

合成的钛酸盐粉末的晶相由x光衍射(XRD)和D8-Advance(布鲁克AXS，卡尔斯鲁厄，德国)检测。带镍过滤器的铜Kalpha;辐射，工作电压为40千伏和40毫安。所有样品在5–70°的连续扫描模式下以0.3 /s的扫描速率进行测量。形貌和显微结构。

结果和讨论

通过全面的H3O /K 离子交换反应将高锰酸钾晶须转化为锐钛矿和金红石晶须图2显示了制备的高锰酸钾晶须及其离子交换产物HTO晶须的XRD图谱。如图2a所示，所制备样品的衍射峰与标准图案K0.8Mg0.4Ti1.6O4(PDF#35-0046)匹配良好。KMTO的晶格参数计算为a = 3.821，b = 15.641，c = 2.981，与文献报道的结果一致。据报道，锂云母型层状钛酸盐具有层状结构，并且插入由边缘共享的八面体TiO6和碱金属离子组成的层用于电荷补偿。层状钛酸盐适合作为软化学合成的前体，因为它们的开放结构和离子交换性质，为质子转移到晶体提供了途径。Sasaki等人表明，在K0.8Li0.27Ti1.73O4中，不仅层间的K 可以进行离子交换，八面体位置的Li 也可以参与离子交换过程。所以类似结构的KMTO中的K 和Mg2 也是可以互换的。

图二：(a)通过熔融盐法制备的高锰酸钾晶须，(b)通过高锰酸钾的离子交换反应获得的HTO样品，和在(c) 500，(d) 600，(e) 700，(f) 800，(g) 900和(h)1000℃煅烧的HTO样品的XRD图谱

如图2b所示，在离子交换后，产物显示出H2Ti2O5·H2O (HTO) (PDF#47-0124)和MgTiO3 (PDF#06-0494)的主要衍射峰。为了从HTO样品中除去H3O ，通过HTO分别在500、600、700、800、900和1000℃热处理4 h合成了一系列煅烧产物。图2c-h显示了通过在不同温度下煅烧HTO获得的样品的XRD图案，并且所有煅烧的样品可以被鉴定为二氧化钛(TO)和氧化镁。对于500、600、700和800℃的煅烧产物(分别见图2c-f)，主要衍射峰都对应于锐钛矿和钛酸镁。对于900℃煅烧产物(图2g)，相应的衍射峰已经从锐钛矿变为金红石和氧化镁。

图3a和3b中的扫描电镜图像显示了KMTO和HTO

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