一种金属防腐蚀疏水性膜层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属防腐蚀疏水性膜层的制备方法，属于材料工程技术领域。采用溶胶-凝胶法对金属基体表面进行涂膜，所制备的膜层不开裂、结构致密、具有良好的防腐蚀性能和疏水性。特别是掺杂缓蚀剂（铈盐）的溶胶-凝胶膜层，不仅可以获得一定的自修复性能，提高抗腐蚀能力，而且可以显著提高疏水性，其静态接触角可达125°。本发明专利技术解决了众多表面技术改性后，所得到的表面较差的疏水性以及传统表面处理技术过程复杂，设备要求高，污染环境，能源消耗大等众多问题，适合航空、航天、舰船、汽车等行业中金属材料领域的使用。本方法所用的工艺简单，原料易得，设备投资小，经济回报高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，属于材料工程
。采用溶胶-凝胶法对金属基体表面进行涂膜，所制备的膜层不开裂、结构致密、具有良好的防腐蚀性能和疏水性。特别是掺杂缓蚀剂（铈盐）的溶胶-凝胶膜层，不仅可以获得一定的自修复性能，提高抗腐蚀能力，而且可以显著提高疏水性，其静态接触角可达125°。本专利技术解决了众多表面技术改性后，所得到的表面较差的疏水性以及传统表面处理技术过程复杂，设备要求高，污染环境，能源消耗大等众多问题，适合航空、航天、舰船、汽车等行业中金属材料领域的使用。本方法所用的工艺简单，原料易得，设备投资小，经济回报高。【专利说明】
本专利技术属于材料工程
，涉及金属表面改性
，更具体地说，涉及一种金属表面防腐蚀和疏水性的处理方法。
技术介绍
金属是一种具有光泽、富有延展性、导电、导热等性质的物质。在国民经济各个部门，等得到了广泛的应用。特别是一些铝合金、镁合金、钛合金等普遍应用于航空航天业、电力电器工业、交通运输工业。然而,金属材料容易受周围介质的作用而发生腐蚀破坏,这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成灾难性事故。因此，对金属进行表面处理是非常必要的，不仅可以克服金属表面性能方面存在的缺点，同时也可以提高功能性、装饰性和防护性性能，扩大金属的应用范围，延长其使用寿命。传统的金属表面改性技术主要有化学镀、电沉积、阳极氧化、转化膜处理、激光熔覆、气相沉积等。这些处理技术虽然可以改善金属的防腐蚀性能，但是它们存在处理过程复杂，对设备要求高，污染环境，能源消耗大等众多问题。更重要的是许多传统表面改性技术制备的膜层或涂层，并不能获得良好的疏水性表面，这在很大程度上限制了金属的应用领域。US6579472中公开介绍了一种由有机金属盐、有机硅烷、硼酸盐、磷酸盐等组成的溶胶-凝胶防腐蚀膜层，其中以正丙醇锆(IV)和Y-(2.3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)为前驱体，以乙酸为催化剂制备的膜层有着更优的耐腐蚀性能。US7141306中公开报道了一种以环氧官能团的硅烷单体和硅烷交联剂为主要反应物，按不同的比例混合，在铝合金或钛合金表面制备抗腐蚀溶胶-凝胶膜层的方法，其优选采用Y - (2.3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(GPTM.S)和1，2-二(三乙氧基硅基)乙烷混合制备耐腐蚀膜层。CN102758200A中公开了一种溶胶-凝胶二氧化硅薄膜的制备方法。将正硅酸四乙酯、甲酰胺、去离子水和乙醇按质量比为1:0.43:0.75:2.12进行均匀混合制备溶胶，涂覆后的薄膜经1000°C处理3h得到溶胶-凝胶二氧化硅薄膜。CN102795788A中公开报道了一种以正硅酸乙酯(TE0S)、乙醇、乙二醇乙醚、异丙醇、去离子水为反应物制备溶胶-凝胶SiO2薄膜的方法。CN102234113A中公开介绍了一种以正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅和十六烷基三甲基溴化铵为主要反应物，采用溶胶-凝胶法制备了静态接触角为115°的疏水性介孔二氧化娃膜。在这些所公开介绍的溶胶-凝胶法制备二氧化硅薄膜的工艺中，有些可以用来作为防护性膜层，从而减缓金属的腐蚀发生。在某种程度上说，通过各种物理或化学方法改变材料表面的润湿性，使表面具有疏水性或超疏水等性能，可以更有效地阻止腐蚀介质进入，从而更好地保护基材，对扩大材料的应用范围，延长材料的使用寿命具有重要的意义。然而，这些薄膜层，即使有防腐蚀作用，但是由于膜层中不存在缓蚀剂。因此，在膜层受到破坏，基体发生腐蚀时，不存在自修复作用，腐蚀将进一步发生。而膜层中掺杂一定量的缓蚀齐U，可以起到一定的自修复作用，减缓基体的腐蚀。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种环保型金属防腐蚀自修复疏水性膜层的制备方法。该方法具有工艺简单、易涂覆、设备投资小、原料易得、污染小、经济回报高等优点。能显著提高金属表面的防腐蚀性和疏水性。本专利技术的目的可以通过如下技术方案来实现:，其特征在于，该方法包括如下步骤:(I)溶胶的制备:将有机硅烷溶于溶剂中，溶解后加入硅烷偶联剂，搅拌反应，加入酸性水溶液，继续搅拌使反应充分，得到制备膜层的溶胶。(2)金属表面制备膜层: 将金属基体浸入步骤(I)中所得到的溶胶中，采用垂直提拉法，缓慢匀速地从溶胶中提出，室温下干燥后，放在马弗炉进行热处理，室温冷却后得到疏水性膜层，储存待用。(3)金属表面制备铈盐改性膜层:在执行步骤(I)的过程中加入铈盐，充分搅拌反应，获得掺杂铈盐的溶胶体系，将金属基体浸入该溶胶中，采用垂直提拉法，缓慢匀速地从溶胶中提出，室温下干燥后，放在马弗炉进行热处理，室温冷却后得到铈盐改性疏水性膜层，储存待用。步骤(I)中所述的有机硅烷分子式为Si (OR)4, R=CH3, C2H5, C3H7或C4H9。 步骤(I)中所述的溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇或异丁醇。步骤(I)中所述的硅烷偶联剂为正辛基三乙氧基硅烷，分子式为C14H32O3SL步骤(I)中所述的酸包括冰醋酸、盐酸、硫酸、硝酸。步骤(I)中所述的水为去离子水或蒸馏水。步骤(I)中所述有机硅烷、硅烷偶联剂、溶剂和酸性水溶液的用量摩尔比为0.5?2:0.2 ?1:8 ?18:10 ?18。步骤(2)中所述的缓慢匀速的速度为100 μ m/s?2000 μ m/s。步骤(2)中所述的马弗炉包括箱式炉，管式炉，坩埚炉。步骤(2)中所述的热处理工艺包括升温速度(0.5?3°C /min)，退火温度(80?200°C)，保温时间(0.5?5h)。步骤(3)中所述的铈盐包括硝酸铈、硫酸铈、氯化铈、醋酸铈、硫酸铈铵，草酸铈。步骤(3)中所述的加入铈盐的含量为0.0005?0.05mol/L。步骤(2) (3)中所述提拉包括一次提拉，也可以用同样的方法进行二次提拉或多次反复提拉。与现有的表面处理技术相比，本专利技术具有操作简便，污染小，能耗低，原料易得，成本低等优点。通过该方法制备的膜层，可以显著提高金属的耐腐蚀性能，同时可以使表面获得较好的疏水性。在配制溶胶过程中，加入铈盐后，进一步提高了基体的抗腐蚀性和疏水性。该方法制备的膜层，可以用于汽车、飞机、航天器等零部件，适合工业应用。具体实施方法以下结合实对本专利技术作进一步详细的描述。采用Contact angle system OCA (Germany)来测试膜层的接触角。实施例1(I)溶胶的制备:将16ml正硅酸乙酯溶于38.4ml乙醇溶剂中，溶解后加入7.52ml正辛基三乙氧基硅烷，搅拌反应一段时间，加入18.6ml酸性水溶液(10v%HN03)，继续搅拌3h，将反应后的溶胶室温条件下陈化24h得到制备膜层的溶胶。(2)金属表面制备膜层:将金属基体浸入步骤(I)中所得到的溶胶中，采用垂直提拉法，以lmm/s速度缓慢匀速地从溶胶中提出，室温下干燥后，放在以马弗炉进行热处理，以l°c /min的升温速度升温至180°C，保温60min，室温冷却后储存待用。膜层的得静态接触角为92°，经3.5wt%NaCl中性溶液浸泡16天后只有局部出现几个腐蚀点，其它部位未见任何腐蚀点。实施例2(I)溶胶的制备: 将16ml正硅酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属防腐蚀疏水性膜层的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：（1）溶胶的制备：将有机硅烷溶于溶剂中，溶解后加入硅烷偶联剂，搅拌反应，加入酸性水溶液，继续搅拌使反应充分，室温条件下陈化一段时间，得到制备膜层的溶胶；（2）金属表面制备膜层：将金属基体浸入步骤（1）中所得到的溶胶中，采用垂直提拉法，缓慢匀速地从溶胶中提出，室温下干燥后，放在马弗炉进行热处理，室温冷却后得到疏水性膜层，储存待用；（3）金属表面制备铈盐改性膜层：在执行步骤（1）的过程中加入铈盐，充分搅拌反应，获得掺杂铈盐的溶胶体系，将金属基体浸入该溶胶中，采用垂直提拉法，缓慢匀速地从溶胶中提出，室温下干燥后，放在马弗炉进行热处理，室温冷却后得到铈盐改性疏水性膜层，储存待用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊升，潘晓铭，李晓刚，肖葵，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：