一种微纳米结构复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种微纳米结构复合涂层及其制备方法，属于催化剂技术领域。自下而上依次由基底、耐腐蚀金属层和二氧化钛层构成。本发明专利技术以耐蚀金属层作为打底层，TiO2层采用液料热喷涂方式喷涂，制得的TiO2复合涂层兼具耐蚀性、高结合强度、表面亲疏水可控、高比表面积等特点，有利于TiO2涂层光催化功能的发挥。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微纳米结构复合涂层及其制备方法，属于催化剂

技术介绍
二氧化钛（TiO2）因具有光催化活性高、化学性能稳定、无毒和抗光腐蚀性好等优异的性能在光催化氧化降解环境污染物等方面具有广阔的应用前景，尤其在当前对环境保护日益重视的背景下，对具有产业化前景的光催化纳米TiO2薄膜或涂层的研发十分迫切。TiO2涂层的传统制备方法主要有溶胶-凝胶法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法等，这些传统的制备方法针对烟道内壁使用环境或者沉积率较低，或者技术较复杂、对原料和设备要求较高、成本昂贵，因此要想实现TiO2涂层的大规模应用亟需开发出新的涂层制备方法。热喷涂工艺是一种高效率、低成本制备大面积涂层的有效方法，不受工件大小等因素的限制，传统热喷涂方法必须使用微米级粉末，且在热喷涂过程中由于粉末粒子经历高温作用导致TiO2的晶型不可逆地由锐钛矿向金红石相转变，因此，传统的热喷涂方法难以获得高比表面积和锐钛矿含量的涂层，TiO2涂层光催化功能的发挥受到极大的限制。而近些年发展起来的液相热喷涂工艺是将制备涂层的前驱体或悬浊液作为喷涂原料进行热喷涂制备涂层的工艺技术，这种直接沉积涂层的方法将粉末制备和涂层制备合二为一，大大简化了工艺步骤，且由于喷涂过程中液体的蒸发和挥发带走大量的热量，喷涂粒子经历的温度较低，液相热喷涂方法具有降低原料粒子颗粒长大和晶型转变的优点。此外，针对烟道内壁使用环境，由于其较高的使用温度，恶劣的使用工况，更需要TiO2涂层具备一定的耐温性（200℃左右）、亲疏水性、高结合强度、耐蚀性等。因此，亟需开发一种适用于烟道内壁的新型的、低成本、高性能、大面积、适合工业化生产的TiO2光催化复合涂层具有十分重要的应用价值，势必带来极大的社会经济效益。基于此，做出本申请。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种烟道内壁用的微纳米结构TiO2复合涂层及其制备方法。本专利技术实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种微纳米结构TiO2复合涂层，由基底、耐蚀金属层和二氧化钛层构成，耐蚀金属层和二氧化钛层总厚度为100-300μm，基底、耐蚀金属层和二氧化钛层自下而上顺次设置，二氧化钛层的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，且锐钛矿型TiO2占TiO2涂层的质量百分含量为80%；采用热喷涂方式，先在基底上喷涂并形成耐蚀金属层，该耐蚀金属层作为二氧化钛层的打底层，起到提高基材耐蚀性和粗糙度的目的，二氧化钛层采用液料热喷涂方式，将二氧化钛形成的悬浮液送入热喷涂火焰，在耐蚀金属层上形成二氧化钛层，上述方法所形成的复合涂层兼具耐蚀性、高结合强度、表面亲疏水可控、高比表面积等特点。进一步的，作为优选：所述的基底是低碳钢、316L不锈钢、304不锈钢、轴承钢中的任一种。所述的耐蚀金属层是金属Al、Al-Zn、Zn、镍铝、铁铬铝、镍铬钛涂层中的任一种。所述悬浮液的制备方法为：将平均粒度为25nm的市售P25纳米粉末（晶型为锐钛矿相和金红石相，且锐钛矿相约80wt%）与去离子水和无水乙醇按一定比例进行磁力搅拌混合均匀，并加入一定量的高分子表面分散剂，使其成为分散均匀的悬浮液料。其中，所述的去离子水和无水乙醇的体积比为1:2-5:1；纳米TiO2的质量百分比含量为1.5wt%-5wt%，高分子表面分散剂的质量百分比含量为0.2 wt%-2 wt%；所使用的高分子表面分散剂为聚氨酯（PU）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP K30）中的任意一种或者任意两种的混合物。所述的基底在热喷涂前进行粗化预处理后清洗干净，然后采用电弧喷涂方法，喷涂耐蚀金属涂层，其厚度为50-200μm；所述的电弧喷涂参数为：喷涂电流150-400A，喷涂电压20-48V，压缩空气压力0.4-1MPa，喷涂距离200-300mm，电弧喷枪移动速度为100-300mm/s，涂层喷涂遍数为3-10遍。所述的液料热喷涂方式中，以乙炔为燃气、氧气为助燃气，悬浮液用压缩空气雾化后，采用枪外送料方式输送到热喷涂火焰根部，在耐蚀金属层表面形成厚度为10μm-100μm的二氧化钛层。所述的火焰喷涂参数为：助燃气（O2）、燃气（乙炔）和辅助气（压缩空气）的压力分别为0.3-0.8 Mpa、0.1-0.4 Mpa和0.2-0.7 Mpa，流量分别为1.5-3.5 Nm3/h、0.5-2.5 Nm3/h和1.5-4.0 Nm3/h，喷涂液料的流量为15-40 ml/min，喷涂距离为150-240 mm，火焰喷枪移动速度为200-500mm/s，涂层喷涂遍数为5-20遍。为表征本专利技术的烟道内壁用的微纳米结构TiO2复合涂层的性能，利用X射线衍射仪（XRD）对制备的涂层样品进行物相表征，利用扫描电子显微镜（SEM）对制备的涂层样品进行表面形貌表征，利用酶标仪检测涂层降解亚甲基蓝溶液的浓度对该涂层的光催化性能进行表征，利用氮气吸附法检测涂层比表面积，利用接触角测量仪测试涂层亲疏水性能等，以下是具体的性能检测方法。（1）涂层物相表征：将制备的样品鼓风干燥箱中80℃烘干3 h，利用X射线衍射仪检测其物相。（2）涂层微观形貌表征：将制备的样品在鼓风干燥箱中80℃烘干2 h，为提高电镜观察效果，对样品表面喷Au处理以增强导电性，利用SEM观察其表面微观形貌。（3）涂层光催化性能测试方法：配制浓度为5 ppm的亚甲基蓝溶液，取30 ml放于直径为9 cm培养皿中。将尺寸为4×4 cm的纳米碳材料-TiO2复合涂层置于培养皿中并磁力搅拌，搅拌速度为80 r/min。紫外灯功率为15 W，波长为365 nm，样品与紫外灯管的距离为15cm。紫外灯开启后的第0 h、0.5 h、1.5 h、2.5 h、3.5 h、4.5 h及5.5 h时，用移液枪从培养皿中提取亚甲基蓝溶液200 μl，置于96孔板中进行吸光度测试并记录测试结果。根据在波长664 nm处的吸光度值计算溶液中亚甲基蓝的浓度。每组样品至少应进行3次实验以减小误差。（4）表面亲疏水性能表征：将制备的样品利用接触角测量仪检测其亲疏水性能。本专利技术提供的TiO2复合涂层，其打底层具有良好的耐蚀性和良好的粗糙度，有利于微纳米TiO2涂层的结合强度，表面微纳米TiO2涂层同时具有锐钛矿相和金红石相，并且锐钛矿型TiO2含量较高，该TiO2复合涂层与现有技术中的TiO2涂层相比，具有耐蚀性、高结合强度、表面亲疏水可控、高比表面积等特点，具有重要的应用价值，有望产生极大的社会经济效益。附图说明图1为本专利技术烟道内壁用的微纳米结构TiO2复合涂层示意图；图2是实施例1中涂层的XRD相成分分析图谱；图3是实施例1中涂层表面微纳米结构SEM照片（500倍放大图）；图4为实施例1中涂层表面微纳米结构SEM照片（50000倍放大图）；图5是实施例1中样品表面亲疏水性能示意图；图6为实施例2中样品表面亲疏水性能示意图；图7是实施例1样品的光催化降解亚甲基蓝溶液情况对照图。其中标号：1. 基底；2. 耐腐蚀金属层；3. 二氧化钛层。具体实施方式下面结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。实施例1本实施例中，选择基材为厚度约2 mm的316L不锈钢片，该基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳米结构复合涂层，其特征在于：由基底、耐蚀金属层和二氧化钛层构成，基底、耐蚀金属层和二氧化钛层自下而上顺次设置，耐蚀金属层和二氧化钛层总厚度为100‑300μm，二氧化钛层的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，且锐钛矿型TiO2占TiO2涂层的质量百分含量为80%。

【技术特征摘要】
1.一种微纳米结构复合涂层，其特征在于：由基底、耐蚀金属层和二氧化钛层构成，基底、耐蚀金属层和二氧化钛层自下而上顺次设置，耐蚀金属层和二氧化钛层总厚度为100-300μm，二氧化钛层的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，且锐钛矿型TiO2占TiO2涂层的质量百分含量为80%。2.如权利要求1所述的一种微纳米结构复合涂层，其特征在于：所述的基底是低碳钢、316L不锈钢、304不锈钢、轴承钢中的任一种；所述的耐蚀金属层是金属Al、Al-Zn、Zn、镍铝、铁铬铝、镍铬钛涂层中的任一种。3.一种微纳米结构复合涂层的制备方法，其特征在于：采用热喷涂方式，先在基底上喷涂并形成耐蚀金属层，再将纳米二氧化钛形成悬浮液，并采用液料热喷涂方式，将该悬浮液送入热喷涂火焰，在耐蚀金属层上形成二氧化钛层。4.如权利要求3所述的一种微纳米结构复合涂层的制备方法，其特征在于：所述悬浮液的制备方法为：将纳米粉末与去离子水和无水乙醇混合均匀，并加入高分子表面分散剂，使其成为分散均匀的悬浮液料。5.如权利要求3所述的一种微纳米结构复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的悬浮液中，纳米二氧化钛的质量百分比含量为1.5wt%-5wt%，高分子表面分散剂的质量百分比含量为0.2 wt%-2 wt%，余量为去离子水和无水乙醇，且去离子水和无水乙醇的体积比为1:2-5:1。6.如权利要求3、4或5所述的一种微纳米结构复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的纳米二氧化钛晶型为锐钛矿相和金红石相，且锐钛矿相占80wt%；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华，
申请(专利权)人：绍兴斯普瑞微纳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33