CN103382564A

CN103382564A - 金属表面超疏水钴镀层及其制备方法

Info

Publication number: CN103382564A
Application number: CN2013103018553A
Authority: CN
Inventors: 苏峰华; 姚凯; 刘灿森; 黄平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: CN103382564B

Abstract

本发明公开金属表面超疏水钴镀层及其制备方法。本发明首先将金属钴盐0.01~1.0mol/l、长直链烷酸0.01~3.0mol/l和乙醇溶剂放置于容器中，充分搅拌震荡均匀，作为基础电镀液；再以不锈钢、铜等导电金属的待镀工件作为的阴极，纯钴、铜或石墨碳作为阳极，在上述电镀液进行电镀。电镀完成后将作为阴极的已镀工件用乙醇洗净，吹干，即在金属工件表面获得具有超疏水功能的钴镀层。本发明在金属表面制备超疏水钴镀层所需电镀液成分简单，配制方便，环境友好，不含腐蚀性物质。同时，电镀过程简单，易于大规模生产，所制备的超疏水钴镀层的接触角在150~160o范围，滚动角小于10o。

Description

金属表面超疏水钴镀层及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属表面改性和金属镀层电沉积制备技术领域，具体涉及金属表面超疏水钴镀层及其制备方法。

背景技术

钴能提高铁基、铝镍基和稀土金属合金的磁饱和强度和居里点，使其具有高矫顽力，是电气工业中的优良磁性材料。同时，钴金属镀层具有比镍金属镀层更高的硬度、耐磨和耐高温性能，含钴高温合金在 900～1000℃下仍有很高的强度和抗蠕变性能。但纯钴金属表现为亲水性能，其防腐、自清洁和防冰等性能有待提高，从而影响其在汽车船舶工业、电气工业及航空、航天工业等的应用。

超疏水表面是指水滴在其上接触角大于150o，滚动角小于10o，因其具有自清洁、减阻、耐腐蚀和抗结冰结霜等特性，在军事、通讯、航空和生物等领域有广泛的应用前景。通常情况下，纯金属表面为亲水性，在金属基体表面制备具有超疏水功能的镀层材料，引起了广大研究者的关注。目前，化学刻蚀、热喷涂、气相沉积和电镀等方法可用于在金属基体表面制备具有超疏水的功能镀层，相比而言，电镀法具有设备和过程简单、生产价格低廉、易于大规模生产等优点，越来越受到科研工作者的关注。申请号为201110152051.2公开了一种镍电镀液和使用镍电镀液制备超疏水镍镀层的方法，所用的镍电镀液以氯化胆碱离子液体作为溶剂，以NiCl₂或NiCl₂·6H₂O为溶质，在一定温度和电镀电压下，电镀制备了超疏水镍镀层。申请号为201210114736.2公开了一种具有超疏水镀层的镁合金的制备方法，首先在镁合金上制备二元微纳米粗糙结构，再经低表面能的长直链烷酸修饰后获得超疏水性能。申请号为201210483659.8公开了一种金属表面超疏水性铝镀层制备方法，在活性金属基磁控溅射铝镀层表面构建微纳复合结构，然后在十四酸中浸泡一段时间，获得超疏水铝镀层。

如前所述，钴金属广泛应用于电气及航空、航天领域，但由于其亲水性，影响其防腐、自清洁和防冰等性能。本专利首次发明了在不同的金属基材表面制备具有超疏水性能的钴镀层，其制备方法简单，成本低廉，且易于工业化大规模生产。

发明内容

本发明提供金属表面超疏水钴镀层的制备方法，采用电镀法制备超疏水钴镀层所需电镀液成分简单，配制方便，环境友好，不含腐蚀性物质。同时，电镀过程简单，易于大规模生产，所制备的超疏水钴镀层的接触角在150~160o范围，滚动角小于10o，具有很好的超疏水性能。制备的超疏水钴镀层在汽车船舶工业、电气工业及航空、航天工业等有广泛的应用。

本发明的目的通过下列技术方案实现的。

金属表面超疏水钴镀层及其制备方法，其包括下列步骤：

1. 工件预处理：将工件先用400目和800目砂纸打磨，然后用表面活性剂超声清洗5~30 min，再用丙酮超声清洗5~30 min，最后用稀硫酸（0.2~3.0 mol/L）清洗10~60 s后用纯净水洗净，吹干，得到经过处理的工件；

2. 配置电镀液：将金属钴盐和长直链烷酸溶解于乙醇溶液中，搅拌震荡均匀，配置成基础电镀液；

3. 将经过处理的工件作为阴极，纯钴、铜或石墨碳作为阳极，在步骤2）配置的基础电镀液中进行电镀，电镀后将阴极工件镀层洗净、吹干，获得超疏水功能的钴镀层。

优先地，在步骤1中，所述工件为不锈钢和黄铜导电金属材料；所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠。

优先地，在步骤2中，所述金属钴盐为二氯化钴、硫酸钴及它们的水合物中的一种以上。

优先地，在步骤2中，所述长直链烷酸为碳原子数为8~20的直链烷酸，包括癸酸、肉豆蔻酸或十八烷酸之一。

优先地，步骤2中，所述金属钴盐在乙醇溶液中浓度为0.01~1.0 mol/L，长直链烷酸在乙醇溶液中浓度为0.01~3.0 mol/L，乙醇药品的纯度为分析纯。

优先地，步骤2中，所述搅拌震荡采用100~300 W功率超声波超声10~30 min，200~800转/分磁力搅拌器搅拌10~40 min。

优先地，步骤3中，电镀电压范围为5~50 V，最佳范围为10~30 V；电镀时间为1~60 min，最佳范围为10~30 min；电镀液温度为室温~75℃.

优先地，步骤3中所述电镀所用电源为市场上购买的普通直流电和脉冲电镀电源。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1. 本发明的制备方法可在所有导电金属材料表面制备超疏水钴镀层。

2. 本发明制备方法不需要复杂的加工设备，制备过程简单，具有很好的应用价值。

3. 本发明在金属表面制备超疏水钴镀层所需电镀液成分简单，配置方便，对环境友好。电镀工艺简单可控，不含腐蚀性物质，电镀过程无蒸汽排放。

4. 本发明在金属表面制备的钴镀层表面平整、均匀，具有超疏水特性，接触角在150~165o范围，滚动角小于10o。本发明制备的超疏水钴镀层可应用于多种工业零部件外表面和金属管道内壁等需要自清洁、耐腐蚀、抗结冰和减小水阻力等各种场合。

附图说明

图1a~图1f分别为实施例1~6所制得的超疏水钴镀层的接触角图。

图2a~图2b分别为实例3和实例5制得的镀层表面的扫描电镜图。

具体实例方式

下面结合实例对本发明做进一步详细的描述，但本发明要求保护的范围不限于此。

实施例1

一种金属表面超疏水钴镀层及其制备方法，具体步骤如下：

将黄铜片用400目和800目砂纸打磨，用十二烷基苯磺酸钠超声清洗10 min，再用丙酮超声清洗10 min，最后用0.5 mol/L的稀硫酸清洗30 s后用纯净水冲洗，吹干，待用。

将浓度为0.05 mol/L的六水合二氯化钴（CoCl₂· 6H₂O）和浓度为0.10 mol/L的肉豆蔻酸加入到乙醇溶液中，用超声波在200 W下超声20 min，用磁力搅拌器在200转/分下搅拌30 min，获得浓度均匀的基础电镀液。

将处理过的黄铜片分别作为阴阳极，插入上述电镀液中，用直流电镀电源，控制电压为10 V，保持电镀液温度为室温，进行电镀，电镀5 min后，取出阴极铜片，用乙醇清洗，吹干，获得接触角为153o，滚动角为10o的铜表面超疏水钴镀层，其接触角图如图1a 所示。

实施例2

一种金属表面超疏水钴镀层及其制备方法，具体步骤如下：

将不锈钢和黄铜片用400目和800目砂纸打磨，用十二烷基硫酸钠超声清洗20 min，再用丙酮超声清洗20 min，最后用1.0 mol/L的稀硫酸清洗60 s 后用纯净水冲洗，吹干，待用。

将浓度为0.10 mol/L的CoCl₂· 6H₂O和浓度为0.20 mol/l的肉豆蔻酸加入到乙醇溶液中，用超声波在100 W下超声10 min，用磁力搅拌器在400转/分下搅拌30 min，获得浓度均匀的基础电镀液。

将处理过的不锈钢片和黄铜片分别作为阴阳两极，插入上述电镀液中，用直流电镀电源，控制电压为30 V，保持电镀液温度为室温，进行电镀，电镀10 min后，取出阴极不锈钢片，用乙醇清洗，吹干，获得接触角为155o，滚动角为9.2o的不锈钢表面超疏水钴镀层，其接触角图如图1b所示。

实施例3

一种金属表面超疏水钴镀层及其制备方法，具体步骤如下：

将黄铜片用400目和800目砂纸打磨，用十二烷基硫酸钠超声清洗10 min，再用丙酮超声清洗20 min，最后用2.0 mol/L的稀硫酸清洗40 s后用纯净水冲洗，吹干，待用。

将浓度为0.05 mol/L的CoCl₂· 6H₂O和浓度为0.10 mol/l的肉豆蔻酸加入到乙醇溶液中，用超声波在100 W下超声20 min，用磁力搅拌器在600转/分下搅拌20 min，获得浓度均匀的基础电镀液。

将处理过的铜片分别作为阴阳两极，插入上述电镀液中，用直流电镀电源，控制电压为20 V，保持电镀液温度为室温，进行电镀，电镀5 min后，取出阴极铜片，用乙醇清洗，吹干，获得接触角为160o，滚动角为6.2o的铜表面超疏水钴镀层，其接触角图如图1c所示，镀层表面形貌如图2a所示，可见钴镀层为纳米棒结构。

实施例4

一种金属表面超疏水钴镀层及其制备方法，具体步骤如下：

将黄铜片用400目和800目砂纸打磨，用十二烷基苯磺酸钠超声清洗20 min，再用丙酮超声清洗15 min，最后用1.0 mol/L的稀硫酸清洗30 s后用纯净水冲洗，吹干，待用。

将浓度为0.20 mol/L的CoCl₂和浓度为0.20 mol/L的十八烷酸加入到乙醇溶液中，用超声波在300 W下超声10 min，用磁力搅拌器在400转/分下搅拌20 min，获得浓度均匀的基础电镀液。

将处理过的黄铜片作为阴极，石墨片为阳极，插入上述电镀液中，用直流电镀电源，控制电压为20 V，保持电镀液温度为室温，进行电镀，电镀30 min后，取出阴极黄铜片，用乙醇清洗，吹干，获得接触角为155o，滚动角为8.5o的黄铜表面超疏水钴镀层，其接触角图如图1d所示。

实施例5

一种金属表面超疏水钴镀层及其制备方法，具体步骤如下：

将黄铜片用400目和800目砂纸打磨，用十二烷基硫酸钠超声清洗30 min，再用丙酮超声清洗20 min，最后用2.0 mol/L的稀硫酸清洗20 s 用纯净水冲洗，吹干，待用。

将浓度为0.10 mol/L的CoCl₂·6H₂O和浓度为0.10 mol/L的肉豆蔻酸加入到乙醇溶液中，用超声波在200 W下超声20 min，用磁力搅拌器在400转/分下搅拌30 min，获得浓度均匀的基础电镀液。

将处理过的铜片分别作为阴阳两极，插入上述电镀液中，用直流电镀电源，控制电压为30 V，保持电镀液温度为室温，进行电镀，电镀5 min后，取出阴极铜片，用乙醇清洗，吹干，获得接触角为157o，滚动角为5.9o的铜表面超疏水钴镀层，其接触角图如图1e所示，镀层表面形貌如图2b所示，可见钴镀层为纳米棒结构。

实施例6

一种金属表面超疏水钴镀层及其制备方法，具体步骤如下：

将不锈钢片用400目和800目砂纸打磨，用十二烷基苯磺酸钠超声清洗20 min，再用丙酮超声清洗10 min，最后用0.5 mol/L的稀硫酸清洗50 s 后用纯净水冲洗，吹干，待用。

将浓度为0.20 mol/L的CoCl₂和浓度为0.30 mol/L的奎酸加入到乙醇溶液中，用超声波在300 W下超声10 min，用磁力搅拌器在400转/分下搅拌20 min，获得浓度均匀的基础电镀液。

将处理的不锈钢片作为阴极，纯钴作为阳极，插入上述电镀液中，用直流电镀电源，控制电压为30 V，保持电镀液温度为室温，进行电镀，电镀60 min后，取出阴极不锈钢片，用乙醇清洗，吹干，获得接触角为154o，滚动角为9.8o的不锈钢表面超疏水钴镀层，其接触角图如图1f所示。

Claims

1.金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）工件预处理：将工件先用400目和800目砂纸打磨，然后用表面活性剂超声清洗5~30 min，再用丙酮超声清洗5~30 min，最后用稀硫酸清洗10~60 s后用纯净水洗净，吹干，得到经过处理的工件；

2）配置电镀液：将金属钴盐和长直链烷酸溶解于乙醇溶液中，搅拌震荡均匀，配置成基础电镀液；

3）将经过处理的工件作为阴极，纯钴、铜或石墨碳作为阳极，在步骤2）配置的基础电镀液中进行电镀，电镀后将阴极工件镀层洗净、吹干，获得超疏水功能的钴镀层。

2.根据权利要求1 所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述工件为不锈钢和黄铜导电金属材料；所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠。

3.根据权利要求1 所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述金属钴盐为二氯化钴、硫酸钴及它们的水合物中的一种以上。

4.根据权利要求1 所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，步骤2）所述长直链烷酸为碳原子数为8~20的直链烷酸，包括癸酸、肉豆蔻酸或十八烷酸之一。

5.根据权利1所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，步骤2）所述搅拌震荡采用100~300 W功率超声波超声10~30 min，200~800转/分磁力搅拌器搅拌10~40 min。

6.根据权利1 所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，步骤3）所述电镀所用电源为市场上购买的普通直流电和脉冲电镀电源。

7.根据权利要求1 所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，步骤3）所述基础电镀液的温度为室温~75℃，所述电镀的电压为5~50 V；电镀时间为1~60 min。

8.根据权利要求1 所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，所述稀硫酸的浓度为0.2~3.0 mol/l。

9.根据权利要求1 所述的金属表面超疏水钴镀层的制备方法，其特征在于，所述金属钴盐在乙醇溶液中浓度为0.01~1.0 mol/L，长直链烷酸在乙醇溶液中浓度为0.01~3.0 mol/L，乙醇溶液的纯度为分析纯。

10.由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的金属表面超疏水钴镀层。