Electrochemical Synthesis of Novel Polyaniline-Montmorillonite Nanocomposites and Corrosion Protection of Steel

• Main Author: Hoang, Van Hung
• Other Authors: TU Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universitätsbibliothek Chemnitz 2007
• Subjects: impedance measurement; polarization measurement; ddc:540; Montmorillonite; Nanokomposit; Polyaniline
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200700059; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200700059; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/5325/data/thesis.pdf; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/5325/20070005.txt

This dissertation describes a new electrochemical synthesis of novel composite materials based on montmorillonite (MMT) clay and intrinsically conducting polyaniline (PANI). PANI was successfully incorporated into MMT galleries to form PANI−MMT nanocomposites. Electropolymerization of anilinium ions which are intercalated inside the clay layers have been carried out at a constant applied potential. The synthetic conditions have been optimized taking into account the effect of concentration of aniline, magnetic stirring and potential cycling. The resulting organic-inorganic hybrid material, PANI-MMT has been characterized by various physicochemical techniques. Results of elemental analysis show that nanocomposite contains only 10 % of conducting PANI. Formation of PANI inside the clay tactoid has been confirmed by the expansion of inter layer distance of MMT as revealed by X-ray diffraction studies. Relatively lower interlayer expansion for PANI-MMT than that of anilinium-MMT indicates the higher stereoregularity in PANI-MMT which has strong influence on electrical properties of nanocomposites. Infrared spectroscopy studies reveal the presence of physicochemical interaction, probably hydrogen bonding, between clay and polyaniline. Cyclic voltammetry studies indicate that presence of electroinactive clay does not influence the electrochemical activity of PANI. Electrochromic behaviour of PANI-MMT nanocomposites have been studied using in situ UV-Vis spectroscopy which reveals that electrochromism of PANI in the composite material has been retained. One of the main technological applications of conducting polymers, particularly PANI, is in the area of corrosion protection of active metals. PANI-MMT nanocomposites synthesized using the present method and a chemically synthesized PANI which is soluble in organic solvents have been used to protect C45 steel surface against corrosion. Corrosion studies have been performed using electrochemical impedance measurements(EIM)and anodic polarization studies. Electrochemical impedance data has been analyzed using a suitable equivalent circuit. Corrosion protection of steel offered by both PANI-MMT and organically soluble PANI is evident form the increase in the value of charge transfer resistance of the coated steel surfaces. Time dependent EIM measurements reveal that charge transfer resistance gradually decreases with time, however, the values are much higher than that of uncoated surfaces. Two capacitive loops, one at higher and another at lower frequencies, observed in the Nyquist plots have been assigned to the electrical properties of coating material (in the present case, PANI-MMT or soluble PANI) and electrochemical process at the interface, respectively. An anodic shift in the corrosion potential, a decrease in the corrosion rate and a significant increase in the polarization resistance indicate a significant anti-corrosion performance of both PANI-MMT nanocomposite and organically soluble PANI deposited on the protected steel surface. === Diese Dissertation beschreibt eine neue elektrochemische Synthese neuartiger Compositmaterialien basierend auf dem Tonmineral Montmorillonite (MMT) und intrinsisch leitfähigem Polyanilin (PANI). Die Elektropolymerisation von Aniliniumionen, welche in die Tonmineralschichten eingebaut sind, wurde bei einem konstanten Potenzial durchgeführt. Das resultierende organisch-anorganische Hybridmaterial PANI-MMT wurde mit verschiedenen physikochemischen Methoden charakterisiert. Die Ergebnisse der Elementaranalyse zeigen, dass nur 10 % des Nanocompositmaterials aus leitfähigem PANI bestehen. Die Vergrößerung des Zwischenschichtabstandes von MMT, die bei Röntgendiffraktometrieuntersuchungen beobachtet wurde, lässt auf die Bildung von PANI innerhalb der Tonmineral-Taktoide schließen. IR-spektroskopische Untersuchungen deuten auf das Vorhandensein von Wechselwirkungen physikochemischer Art, wahrscheinlich Wasserstoffbindungen zwischen dem Tonmineral und Polyanilin, hin. Untersuchungen mit zyklischer Voltammetrie zeigten, dass die Anwesenheit von elektroinaktivem Tonmineral die elektrochemische Aktivität von PANI nicht beeinflusst. Das elektrochrome Verhalten von PANI-MMT Nanocompositen wurde mit UV-Vis-Spektroskopie untersucht, wobei sich herausstellte, dass das elektrochrome Verhalten vom PANI im Compositmaterial erhalten bleibt. Eines der technologischen Hauptanwendungsgebiete von leitfähigen Polymeren, insbesondere von PANI, ist der Korrosionsschutz von aktiven Metallen. PANI-MMT Nanocomposite die mit der angegebenen Methode (elektrochemisch) synthetisiert wurden und chemisch synthetisiertes in organischen Medien lösliches PANI wurden zum Korrosionsschutz von C45 Stahl eingesetzt. Die Korrosionsuntersuchungen wurden mit Hilfe von elektrochemischen Impedanzmessungen (EIM) und anodischen Polarisationsuntersuchungen durchgeführt. Der von PANI-MMT und von in organischen Medien löslichem PANI gebotene Korrosionsschutz ist wahrscheinlich auf die Zunahme des Ladungsdurchtritts widerstandes der beschichteten Stahloberfläche zurückzuführen. Die anodische Verschiebung des Korrosionspotenzials, eine Verringerung der Korrosions-geschwindigkeit und eine deutliche Zunahme des Polarisationswiderstandes sind eindeutige Hinweise für das Antikorrosionsvermögen von PANI-MMT und auch von in organischen Medien löslichem PANI, welche auf der zu schützenden Stahloberfläche abgeschieden wurden.