一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层及其制备与应用制造技术

本发明专利技术涉及一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层及其制备与应用，复合膜层的制备方法包括以下步骤：1)将硅锆复合膜层制备溶液搅拌2‑4h后，静置以充分水解；2)将金属置于步骤1)中的溶液中进行成膜反应，之后取出金属，并对金属表面进行烘干固化，即得到附着在金属表面的硅锆复合膜层。与现有技术相比，本发明专利技术在金属表面制备的硅锆复合膜层中，膜层光滑致密，流平性能好，膜层透明可以看到基底，可应用于工业中，提高金属的耐腐蚀性能，在部分领域可以取代磷化的效果。

Preparation and application of silicon zirconium composite film on non phosphorus metal surface

【技术实现步骤摘要】
一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层及其制备与应用
本专利技术属于表面处理
，涉及一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层及其制备与应用。
技术介绍
钢铁是国民经济的重要支柱产业，在社会发展、经济建设等方面发挥着重要作用。我国是钢铁生产和消费大国，近年来，钢铁行业快速发展，粗钢产量每年稳步增长。碳钢在工业上用途十分广泛，碳钢钢板产品强度高、韧性好、易加工成型，广泛用于船舶、汽车、桥梁、建筑等行业。钢铁在不同环境下的腐蚀是人们在日常生活和生产中普遍存在的情况。据有关统计，在一些发达工业国家或地区，因为金属被腐蚀而造成的各种各样的经济损失几乎已经达到国民经济GDP的2-4％，造成了非常严重的资源消耗。此外，如果钢结构在应力状态下发生腐蚀，腐蚀1％，材料的结构强度将降低约15％，造成许多安全隐患。磷化技术在实际应用于社会发展中暴露出了一系列的缺点。首先，磷化膜机械强度差，变形性能不佳，结构脆弱。此外，磷化后的膜层空隙很大，容易受到腐蚀中介的侵蚀，不耐酸碱环境。最重要的是磷化技术不仅能耗过高，完成磷化后产生的废液呈酸性，也含有许多有害物质，对环境将造成严重污染。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层及其制备与应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层制备溶液，该溶液包括以下组分及重量份含量：KH-560(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)13-15份、BTSE(1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷)10-12份、氟锆酸钾0.5-3份、柠檬酸1-2份、水30-50份及乙醇15-30份。进一步地，该溶液还包括以下组分及重量份含量：硝酸铈0.3-1份。进一步地，该溶液还包括以下组分及重量份含量：纳米二氧化硅粉体0.5-1.5份。一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层的制备方法，该方法包括以下步骤：1)将所述的溶液搅拌2-4h后，静置以充分水解；2)将金属置于步骤1)中的溶液中进行成膜反应，之后取出金属，并对金属表面进行烘干固化，即得到附着在金属表面的硅锆复合膜层。进一步地，步骤1)中，静置的时间为6-10h。环保无磷金属表面硅锆复合膜层制备溶液需要先搅拌、静置后使用。进一步地，步骤2)中，成膜反应的时间为5-15h。进一步地，步骤2)中，烘干固化的温度为60-100℃，时间0.5-1.5h。通过上述处理方式，能得到结合力强的硅锆复合膜层，在工业中具有很大的应用潜力。一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层，该复合膜层采用所述的方法制备而成。一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层的应用，所述的复合膜层用于对金属进行表面处理。金属可选为纯铁片、钢铁等。研究表明，冷轧钢在经过磷化和硅烷化处理之后的耐蚀性能不同。通过TAFEL极化曲线、硫酸铜点滴法和盐水浸泡实验表明，以微观视角来看，冷轧钢表面的硅烷膜膜层组织与结构疏松的磷化膜相比更为紧密均匀，膜层的缝隙和孔洞数量也大幅度降低，成功阻碍了外部腐蚀中介的渗入，强化了冷轧钢的耐蚀性能。进一步地，本申请采用KH-560和BTSE两种硅烷偶联剂复合配制溶液，效果优于单硅烷偶联剂制备的膜层，且氟锆酸钾的加入可以进一步提高膜层耐腐蚀性能，更明显优于磷化处理后的耐蚀性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：1)本专利技术在金属表面制备的硅锆复合膜层中，膜层光滑致密，流平性能好，膜层透明可以看到基底，可应用于工业中，提高金属的耐腐蚀性能，在部分领域可以取代磷化的效果；2)可复合添加纳米二氧化硅粉体或硝酸铈中的一种或两种，以对硅锆复合膜层进行改性；其中，硝酸铈的加入使得膜层具有了自修复的性能，纳米二氧化硅粉体的加入可以进一步提高膜层的耐腐蚀性和耐磨性，并且能够堵住膜层表面微小的孔洞，使膜层更加致密。附图说明图1为实施例1制得的复合膜层铁片在0-3000秒的开路电位扫描图；图2为实施例2制得的复合膜层铁片在使用电子扫描显微镜50μm下的微观结构图；图3为实施例2制得的复合膜层铁片在使用电子扫描显微镜5μm下的微观结构图和元素分布图；图4为实施例3制得的复合膜铁片与传统磷化膜铁片的交流阻抗对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。试剂：氟锆酸钾，KH-560，BTSE，纳米二氧化硅粉体，硝酸铈，乙醇，水，柠檬酸仪器：CHI660电化学工作站，电子天平，磁力搅拌器，干燥箱，超声波清洗器，电子扫描显微镜SEM，能量色散X-射线光谱仪实施例1：所用原料及重量份含量如下：KH-56014份，BTSE10份，柠檬酸2份，氟锆酸钾2份，乙醇30份，水41.5份，硝酸铈0.5份。制备方法按照如下步骤进行：先将KH-560和BTSE倒入烧杯中混合，依次加入乙醇、氟锆酸钾、柠檬酸、水、硝酸铈。烧杯口覆膜防止水解时乙醇受热挥发，搅拌3小时，静置8小时使溶液充分水解，揭开封口膜，将除锈水洗后的铁片放入溶液中，浸没7分钟，提起放入干燥箱在80℃下烘干1小时，得到硅锆复合膜层覆盖的铁片。应用实施例1：经CHI660电化学工作站采用开路电位测试的方法，检测该膜层在模拟海水环境的3.5wt％NaCl溶液中的耐腐蚀性，设定时间为3000秒，其余参数默认不变，如图1所示，扫描时间500-1500秒区间段开路电位有明显提升随后又开始下降，证明因为稀土元素铈的加入使得膜具有了一定的自修复性能，这也是传统磷化膜所不具备的特性。实施例2：所用原料及重量份含量如下：KH-56014份，BTSE10份，柠檬酸2份，氟锆酸钾1份，乙醇30份，水40份，硝酸铈0.5份，纳米二氧化硅粉体1份。制备方法按照如下步骤进行：先将KH-560和BTSE倒入烧杯中混合，依次加入乙醇、氟锆酸钾、柠檬酸、水、硝酸铈。烧杯口覆膜防止水解时乙醇受热挥发，搅拌3小时，静置8小时使溶液充分水解，揭开封口膜，将烧杯放入超声波清洗器中，加入纳米二氧化硅粉体，超声半小时使得纳米粉体在溶液中分布均匀，取出烧杯，将除锈水洗后的铁片放入溶液中，浸没9分钟，提起放入干燥箱在90℃下烘干1小时，得到硅锆复合膜层覆盖的铁片。应用实施例2：使用电子扫描显微镜SEM观察铁片表面的微观结构，由图2可以看到，有明显的二氧化硅颗粒分布在铁片表面上，纳米二氧化硅粉体的加入可以提高防腐蚀性能和摩擦性能。由图3可以看出，膜层表面无明显裂纹或者划痕，元素分布均匀，从密集度可以看出因为硅烷偶联剂的关系，硅、碳、氧三种元素比较多。实施例3：所用原料及重量份含量如下：KH-56014份，BTSE10份，柠檬酸2份，氟锆酸钾2份，乙醇30份，水40份，纳米二氧化硅粉体0.5份，硝酸铈0.5份。...

【技术保护点】
1.一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层制备溶液，其特征在于，该溶液包括以下组分及重量份含量：KH-560 13-15份、BTSE 10-12份、氟锆酸钾0.5-3份、柠檬酸1-2份、水30-50份及乙醇15-30份。/n

【技术特征摘要】
1.一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层制备溶液，其特征在于，该溶液包括以下组分及重量份含量：KH-56013-15份、BTSE10-12份、氟锆酸钾0.5-3份、柠檬酸1-2份、水30-50份及乙醇15-30份。


2.根据权利要求1所述的一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层制备溶液，其特征在于，该溶液还包括以下组分及重量份含量：硝酸铈0.3-1份。


3.根据权利要求1所述的一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层制备溶液，其特征在于，该溶液还包括以下组分及重量份含量：纳米二氧化硅粉体0.5-1.5份。


4.一种环保无磷金属表面硅锆复合膜层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将权利要求1至3任一项所述的溶液搅拌2-4h后，静置以充分水解；
2)将金属置于步骤1)中的溶液中进行成膜反应，之后取出...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋继波，唐佳斌，陈宇凯，丛海山，胡晓敏，王露露，孙瑶馨，韩霏，张悦瑶，韩生，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31