一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺制造技术

技术编号:20442823 阅读:34 留言:0更新日期:2019-02-27 00:53
本发明专利技术为一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺,该工艺利用锌与金属离子之间的氧化还原反应,同时添加具有低表面能的长链脂肪酸,通过一步法在镀锌钢表面沉积具有低表面能的微纳分级结构,为超疏水表面的制备提供了必要条件。该工艺具有绿色环保、无毒,成本低廉、耗时短等特点,为超疏水功能化表面的工业化应用和大规模制备提供了技术途径。

One-step preparation of superhydrophobic functional surface of zinc-based coatings

The invention relates to a one-step preparation process for superhydrophobic functional surface of zinc-based coating. The process utilizes redox reaction between zinc and metal ions and adds long-chain fatty acids with low surface energy to deposit micro-nano grading structure with low surface energy on the surface of galvanized steel by one-step method, thus providing necessary conditions for the preparation of superhydrophobic surface. The process has the characteristics of environmental protection, non-toxicity, low cost and short time-consuming. It provides a technical way for industrial application and large-scale preparation of superhydrophobic functionalized surface.

【技术实现步骤摘要】
一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺
本专利技术属于金属基材表面防腐处理工艺
,具体涉及一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺。
技术介绍
金属腐蚀造成的危害严重且比较普遍,金属或合金的腐蚀问题仍然是研究者关注的焦点。在钢铁表面镀锌是一种全球普遍应用的钢铁防腐技术之一,它可以同时为钢基体提供物理屏障保护和牺牲阳极保护。但是,对于长期在高温高湿、工业大气或海洋大气等苛刻环境下服役的钢铁结构件来说,即使采用镀锌防腐也难以为钢铁提供长久有效的防护。在仿生学基础上发展起来的超疏水表面(接触角>150°,滚动角小于10°)能够有效抑制腐蚀介质与金属基体的直接接触,在金属腐蚀防护领域具有潜在应用前景,是近年来金属防腐的研究热点。超疏水表面具有防腐、防覆冰、减阻、自清洁等特性,可以为基体金属提供优异的防腐蚀保护层,在苛刻的酸性和碱性环境下表现出优异的耐蚀性。因此,镀锌层表面超疏水化处理为解决镀锌层在苛刻环境下的快速腐蚀提供了一种有效的技术途径。目前,已有相关锌基体上制备超疏水表面的相关报道,如:中国专利CN102133572A公开了一种具有减磨耐磨性能的锌基超疏水表面制备方法,但其制备工艺较为复杂,需要首先在二甲基甲酰胺溶液(40~80℃)中浸泡8~24h,然后再用脂肪酸乙醇溶液(20~60℃)浸泡8~24h,其整个制备流程所需时间达1~2天。中国专利CN103361656A公开了一种在金属锌上制造超疏水性表面的方法,该专利中首先将锌板浸入硝酸银溶液中浸泡5-30min,然后在200℃进行退火处理,该方法工艺复杂,且整体制备时间需较长为1~2h。Xu等(XuW,LiuH,LuS,etal.FabricationofSuperhydrophobicSurfaceswithHierarchicalStructurethroughaSolution-ImmersionProcessonCopperandGalvanizedIronSubstrates[J].LangmuirtheAcsJournalofSurfaces&Colloids,2008,24(19):10895-900.),采用简单的一步溶液浸泡法将铜和镀锌铁基体,浸入含有水解后的1H,1H,2H,2H全氟辛基三氯硅烷的甲醇溶液中,在室温下保存3-4天,然后在空气中130℃加热1小时,获得接触角大于150°的超疏水表面,该方法使用含氟修饰物,且所需浸泡时间较长。张成等(张成.金属基超疏水表面的一步法制备及耐蚀性研究[D].大连理工大学,2013.)报道了一种金属基超疏水表面的一步法制备,其利用锌板和铜板之间的电偶沉积反应,在含有氯化铜水溶液的肉豆蔻酸乙醇溶液(35℃)中,经过24h浸泡得到超疏水薄膜,虽然通过一步法制备出超疏水表面,但制备时间较长。高锦章(高锦章,赵菊玲,郭昊,等.溶液浸泡法制备超疏水锌表面[J].西北师范大学学报(自然科学版),2012,48(3):65-68.)通过将锌板浸泡在全氟辛酸乙醇溶液中,得到接触角大于150°的超疏水表面,但使用了不利于环保、且价格昂贵的全氟辛酸。综上,上述超疏水表面制备方法工艺复杂、步骤繁琐、制备时间较长、实用性较差、制备效率低、成本高或使用有毒或不利于环保的含氟物质,且仅限于实验室研究而无法适应工业化大面积制备,很大程度上限制了超疏水表面的进一步发展。因此,开发一种操作方便,重复性好,适合大规模制备、稳定性优良的超疏水表面十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对镀锌层在苛刻环境下耐腐性差,以及当前制备方法中存在的工艺复杂、成本高、耗时较长、不利于环保等问题,提供一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺。本专利技术通过简单的一步浸渍法工艺来制备超疏水自清洁的镀锌钢功能表面,将传统的热镀锌工艺与新型的超疏水技术有机结合起来,通过简单的一步浸渍法来实现镀锌板从亲水态到超疏水状态的润湿性转变,从而大大提高镀锌钢在湿热、高盐度等苛刻环境下的耐腐蚀性,同时赋予镀锌钢自清洁特性,有望取代危害人体、不利于环保的含铬钝化处理工艺。该专利技术利用锌与金属离子之间的氧化还原反应,同时添加具有低表面能的长链脂肪酸,通过一步法在镀锌钢表面沉积具有低表面能的微纳分级结构,为超疏水表面的制备提供了必要条件。该工艺具有绿色环保、无毒,成本低廉、耗时短等特点,为超疏水功能化表面的工业化应用和大规模制备提供了技术途径。为达到上述目的,本专利技术提供了以下技术方案:一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺,该工艺包括以下步骤:(1)功能化表面处理液的配制:第一步,将长链脂肪酸加入到能溶解该长链脂肪酸的有机溶剂中,充分搅拌至完全溶解,所述长链脂肪酸的碳链≥14;第二步,将具有氧化还原电位的金属水溶性盐溶于去离子水中,搅拌至完全溶解,得到澄清金属盐溶液;所述金属水溶性盐的金属离子的氧化还原电位高于锌的电极电位;第三步,将第二步得到的金属盐溶液逐滴加入第一步的溶液中,同时施加磁力搅拌,得到脂肪酸-盐混合溶液;第四步,采用稀硝酸调节脂肪酸-盐混合溶液pH值为4~5,即得到功能化表面处理液;(2)超疏水功能表面的制备:将清洁的锌基镀层基体浸入上述功能化表面处理液,浸渍时间为10s-60s;然后采用乙醇-水溶液对处理后的锌基镀层基体表面进行清洗,然后风干处理,即得到锌基镀层超疏水功能化表面。本专利技术的有益效果体现在:与现有技术相比,本专利技术工艺通过一步浸泡法即可快速制备出具有低表面能微/纳结构的超疏水锌基镀层表面,制备时间小于1min(该时间为工件或试样在功能化表面处理液中的浸渍时间,浸渍完成风干,即得到超疏水表面)。该专利技术将传统的镀锌工艺与仿生超疏水界面材料有机地结合起来,通过一步浸渍法改变金属镀锌层表面的润湿特性,来提高其耐腐蚀性,同时赋予其自清洁性能。该专利技术中所用材料均廉价易得,不使用任何有毒物质,无需使用价格昂贵的含氟修饰物,无需特殊的设备,无需通电或加热,具有工艺简单,绿色环保,制备效率高,成本低廉、耗时短等特点,而且超疏水表面受损后可通过再次浸泡或喷涂等方式,实现涂层的快速修复,同时该超疏水涂层可以作为一种新型的钝化处理技术,来替代现有的含铬钝化或磷化工艺;该专利技术的制备工艺不限于构件的形状和大小,适合规模化制备和工业化推广,为镀锌层超疏水功能化表面的工业化应用和大规模制备提供了一种有效的技术途径。附图说明附图1为本专利技术实施例1中经处理后的超疏水镀锌层表面微/纳结构形貌扫描电镜照片(SEM)。附图2为本专利技术实施例1中处理后的超疏水镀锌层表面与水接触角照片。附图3为本专利技术实施例1中处理前/后的超疏水镀锌层表面动电位极化曲线。附图4为本专利技术实施例1中处理前/后的超疏水表面自清洁行为照片。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术做详细说明,但并不以此作为对本申请保护范围的限定。本专利技术锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺,包括以下步骤:(1)功能化表面处理液的配制:第一步,将长链脂肪酸(碳链≥14)加入到能溶解该长链脂肪酸的有机溶剂中,充分搅拌至完全溶解;第二步,将具有氧化还原电位的金属水溶性盐溶于去离子水中,搅拌至完全溶解,得到澄清金属盐溶液;所述金属水溶性盐的金属离子容易与锌发生氧化还原反应,即氧化还原电位高于锌的电极电位;第三步,将本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺,该工艺包括以下步骤:(1)功能化表面处理液的配制:第一步,将长链脂肪酸加入到能溶解该长链脂肪酸的有机溶剂中,充分搅拌至完全溶解,所述长链脂肪酸的碳链≥14;第二步,将具有氧化还原电位的金属水溶性盐溶于去离子水中,搅拌至完全溶解,得到澄清金属盐溶液;所述金属水溶性盐的金属离子的氧化还原电位高于锌的电极电位;第三步,将第二步得到的金属盐溶液逐滴加入第一步的溶液中,同时施加磁力搅拌,得到脂肪酸‑盐混合溶液;第四步,采用稀硝酸调节脂肪酸‑盐混合溶液pH值为4~5,即得到功能化表面处理液;(2)超疏水功能表面的制备:将清洁的锌基镀层基体浸入上述功能化表面处理液,浸渍时间为10s‑60s;然后采用乙醇‑水溶液对处理后的锌基镀层基体表面进行清洗,然后风干处理,即得到锌基镀层超疏水功能化表面。

【技术特征摘要】
1.一种锌基镀层超疏水功能表面一步法制备工艺,该工艺包括以下步骤:(1)功能化表面处理液的配制:第一步,将长链脂肪酸加入到能溶解该长链脂肪酸的有机溶剂中,充分搅拌至完全溶解,所述长链脂肪酸的碳链≥14;第二步,将具有氧化还原电位的金属水溶性盐溶于去离子水中,搅拌至完全溶解,得到澄清金属盐溶液;所述金属水溶性盐的金属离子的氧化还原电位高于锌的电极电位;第三步,将第二步得到的金属盐溶液逐滴加入第一步的溶液中,同时施加磁力搅拌,得到脂肪酸-盐混合溶液;第四步,采用稀硝酸调节脂肪酸-盐混合溶液pH值为4~5,即得到功能化表面处理液;(2)超疏水功能表面的制备:将清洁的锌基镀层基体浸入上述功能化表面处理液,浸渍时间为10s-60s;然后采用乙醇-水溶液对处理后的锌基镀层基体表面进行清洗,然后风干处理,即得到锌基镀层超疏水功能化表面。2.根据权利要求1所述的制备工艺,其特征在于,所述脂肪酸-盐混...

【专利技术属性】
技术研发人员:李冲冲曹晓明马瑞娜范永哲杜安赵雪
申请(专利权)人:河北工业大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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