CN103628050B - 一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面防护，特指涉及一种通过分子自组装方法在金属表面制备石墨烯/硅烷抗腐蚀复合薄膜的方法。本发明克服石墨烯薄膜与金属结合强度弱的缺点，引入含有两种不同化学官能团的硅烷偶联剂作为过渡膜层，制作出一种复合膜，复合膜由石墨烯和硅烷偶联剂组成，借助硅烷偶联剂实现金属与石墨烯间接的化学键连接，进而提高了石墨烯与金属之间的结合强度，制得的复合膜寿命长，有效提高了金属防腐性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面防护，特指涉及一种通过分子自组装方法在金属表面制备石墨烯/硅烷抗腐蚀复合薄膜的方法。
背景技术
金属防腐蚀一直是金属保护的研究重点，工业界常采用的方法是在金属表面进行渗氮处理、磷化处理或者以有机硅烷为主要原料对金属材料进行表面处理，然后再喷涂油漆等，这些方法可以提高金属材料的抗腐蚀性能，但是渗氮处理能耗大、磷化处理容易产生重金属离子，造成严重的环境污染。利用有机硅烷进行处理是一种比较环保的方法，可以避免前两种方法的不足，但是抗腐蚀性能有待进一步提高，Hu等人[Ji-MingHu,LiangLiuetal.ProgressinOrganicCoatings:Electrodepositionofsilanefilmsonaluminumalloysforcorrosionprotection,2007,58:265–271]通过分子自组装法在AA2024-T3型铝合金上制备甲基三甲氧基硅烷（MTMS）、乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）、十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）硅烷膜，硅烷与铝基采用化学键结合，增强了结合强度，同时硅烷膜可以抑制铝合金的腐蚀，但提升不是很大；如何在保持金属优良力学、电学性能的前提下，提高金属抗腐蚀能力，是社会经济发展急需解决的问题：DhirajPrasai等人[DhirajPrasai,JuanCarlosTuberquiaetal.ACSNANO:Graphene:Corrosion-InhibitingCoating,2012,VOL.6，NO.2:1102–1108]通过化学气相沉积法在金属铜表面制备了一层石墨烯薄膜，该薄膜可以大大提高金属铜的抗腐蚀能力，但得到的沉积膜属于物理粘附，易脱落并且制备温度通常比较高，达到900℃附近，这容易引起金属材料的热变形。本发明综合考虑上述方法的优缺点，利用通过分子自组装方法使硅烷偶联剂的一端官能团与金属表面通过化学键相连，偶联剂的另一端官能团枝接氧化石墨烯，即利用缩合反应使得偶联剂与氧化石墨烯结合，再对氧化石墨烯进行还原，即可制得双层复合抗腐蚀薄膜，由于采用了化学键相连，有效提高了石墨烯与金属的结合强度，且金属的抗腐蚀能力也大大增强。
发明内容
本发明的目的是克服石墨烯薄膜与金属结合强度弱的缺点，引入含有两种不同化学官能团的硅烷偶联剂作为过渡膜层，制作出一种复合膜，复合膜由石墨烯和硅烷偶联剂组成（如图1所示），借助硅烷偶联剂实现金属与石墨烯间接的化学键连接，进而提高了石墨烯与金属之间的结合强度，制得的复合膜寿命长，有效提高了金属防腐性能。
金属表面石墨烯/硅烷自组装薄膜的制备方法包括如下步骤：
1）采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯,待用；
2）取上述氧化石墨烯，超声分散到有机溶剂中，制备质量浓度为0.02%~0.2%的氧化石墨烯分散液，待用；
3）取体积比为1:10~1:20的氧化石墨烯分散液和硅烷偶联剂，均匀混合，水浴控温80~90℃，搅拌反应20~24h，超声分散后得到硅烷偶联剂接枝的氧化石墨烯溶液，待用；
4）取体积比为40:1~50:1的硅烷偶联剂接枝的氧化石墨烯溶液和还原剂水合肼，均匀混合，水浴控温90~100℃，搅拌反应20~24h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，待用；
5）取体积比为1:2~1:10的去离子水与醇，均匀混合成醇水溶液，预先调节pH为6~8，取体积比为1：3~1：8的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液和醇水溶液，均匀混合，控制温度在40~50℃,水解反应1~5小时，冷却至室温，得到石墨烯/硅烷偶联剂处理液，待用；
6）金属基体经打磨、除油、冲洗、表面羟基化、吹干待用；
7）将金属基体浸入石墨烯/硅烷偶联剂处理液中200~300s后烘干，得到金属表面石墨烯/硅烷分子自组装膜。
所述的硅烷偶联剂为能溶解于有机溶剂的硅烷偶联剂，具体为胺基类硅烷或巯基类硅烷。
所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲基亚砜（DMSO）中的一种或二种以上按任意体积比的混合物。
所述的烘干指于100℃烘箱内烘干60分钟。
所述的金属表面羟基化指将金属基体浸没于质量分数为0.5%的NaOH溶液中2分钟。
所述氧化石墨烯采用改进的Hummers法制备，在石墨烯结构中引入了羟基、羧基和环氧基团。
所述的醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇和正丁醇中的一种或二种以上按任意体积比的混合物。
所述的金属基体可为钢、镀锌钢、铜、锌、铝、铝合金或镁合金。
金属表面石墨烯/硅烷自组装复合薄膜应用于提高金属抗腐蚀能力。
本发明采用分子自组装法通过化学键实现金属基体与薄膜连接，相对于传统的沉积膜具有更高的结合强度，通过复合石墨烯，大幅度提高了金属的抗腐蚀能力。
附图说明
图1是本发明的金属表面石墨烯/硅烷自组装薄膜的结构示意图；
1为金属基体，2为偶联剂，3为偶联剂上接枝的石墨烯。
图2γ-氨基丙基三乙氧基硅烷分子结构图；
图3硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液红外光谱图；
1、4为N-H吸收峰，2为-OH吸收峰，3为C=O吸收峰。
图4铝表面石墨烯/硅烷自组装薄膜拉曼光谱图；
1为Al-O吸收峰，2为Si-O-Si吸收峰，3为Si-O-Al吸收峰。
图5未镀膜铝片和镀膜铝片的塔菲尔极化曲线图；
1表示未镀膜铝片的塔菲尔极化曲线，2表示镀膜铝片的塔菲尔极化曲线。
图6γ-氨基丙基三甲氧基硅烷分子结构图。
图7γ-巯基丙基三甲氧基硅烷分子结构图。
具体实施方式
实施案例一
1氧化石墨烯分散液的制备
1）预氧化
取3g人造石墨与10ml浓H2SO4、1gP2O5、1gK2S2O8的混合物置于三口烧瓶中，加热至80℃维持2h，直至三口烧瓶中溶液呈蓝黑色时，停止加热，将反应物自然冷却至室温，静置6h；过滤反应物，并不断用蒸馏水冲洗、过滤反应物，直至滤液呈中性，最后将所得固体在室温下风干24h。
2）Hummers法氧化并分散
取1gNaNO3置于三口烧瓶中，加入50ml浓H2SO4，并不断搅拌使NaNO3充分溶解在浓H2SO4中，取晾干后的预氧化产物加入到上述溶液中，将三口烧瓶置于0℃冰水混合浴中，并且在不断搅拌的同时分次缓缓加入称取好的6g高锰酸钾，控制反应温度不断添加冰水使温度不高于10℃，搅拌反应约1h，然后控制反应物升温在35℃，在此温度下继续搅拌反应1h，再向三口烧瓶中加入一定量的蒸馏水，继续搅拌30min后，加入适量H2O2，直至混合物溶液变为褐色变为亮黄色，过滤反应物，然后用6%HCl溶液和蒸馏水不断冲洗，直至滤液用BaCl2溶液检验滤液中无SO4 2-，且用AgNO3溶液检验无Cl-为止。最终得到黄褐色的过滤产物，将过滤产物溶于蒸馏水中超声1h，去除悬浮液中的未溶于水的较大颗粒物质，然后过滤并将过滤产物置于60℃的真空干燥箱中真空干燥24h，取0.001g氧化石墨烯溶于1ml二甲基甲酰胺（20℃下密度为0.948g/mL）溶液中（氧化石墨烯质量浓度为0.11%），超声2h后形成均匀的分散液,密封保存待用。
2γ-氨基丙基三乙氧基硅烷接枝氧化石墨烯的制备
取10mlγ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550—结构如图2左半部分所示）在搅拌下慢慢滴入分散液中，水浴90℃搅拌反应24h，通过KH550分子的NH2基团与氧化石墨烯表面的COOH基团发生反应完成枝接，得到的糊状物超声分散2h后即得到硅烷偶联剂接枝的氧化石墨烯溶液；将溶液置于90℃水浴中，缓慢滴加0.25ml水合肼(N2H4·H2O)搅拌反应24h，溶液由棕黄色变为黑色，蒸馏除去过量的二甲基甲酰胺和水合肼，即得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，对溶液进行傅立叶红外光谱分析，光谱图如图3所示，吸收峰1、2、3、4说明氧化石墨烯的COOH与KH550的NH2发生了缩合反应，表明KH550与氧化石墨烯枝节成功。
3铝表面石墨烯/硅烷自组装薄膜的制备
配置去离子水和无水乙醇体积比为2：5的混合溶液20ml，将预先调节pH为6，取3ml步骤2所得硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液加入醇水混合液中，均匀混合，得到稳定复相体系，在水浴槽中控制此体系温度在40℃条件下反应5小时，KH550分子在溶液中发生水解，即KH550分子中的Si-O-CH2-CH3键断裂，生成Si-OH硅醇（结构如图2右半部分所示），得到石墨烯/硅烷偶联剂处理液；铝基体经打磨、除油、冲洗、表面羟基化、吹干处理后，浸入处理液中300s后取出烘干，Si-OH与铝表面的OH缩合形成Si-Al键，即可在铝表面得到石墨烯/硅烷自组装薄膜；对所得薄膜进行拉曼光谱分析，光谱图如图4所示，吸收峰1、2、3表示Al-O、Si-O-Si、Si-O-Al，表明水解后的KH550与铝发生的缩合反应，即在铝表面通过分子自组装生成了KH550-GO复合薄膜，且薄膜与铝基通过化学键连接，结合强度高；对未镀膜铝片和镀膜铝片分别进行电化学腐蚀实验，得到两者的塔菲尔极化曲线，如图5所示，曲线1表示未镀膜铝片，曲线2表示镀膜铝片，可以看出，虽然镀膜后的铝片腐蚀电位略低于未镀膜铝片的腐蚀电位，但镀膜后的铝片自腐蚀电流远小于未镀膜铝片，说明镀膜后的铝片与现有技术相比抗腐蚀性得到很大的提高。
实施案例二
1氧化石墨烯分散液的制备
氧化石墨烯的制备方法同案例一，取0.001g氧化石墨烯溶于1mlN-甲基吡咯烷酮（25℃下密度为1.028g/mL）溶液中（氧化石墨烯质量浓度为0.097%），超声2h后形成均匀的分散液，密封保存待用。
2γ-氨基丙基三甲氧基硅烷接枝氧化石墨烯的制备
取15mlγ-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS结构如图6所示）在搅拌下慢慢滴入分散液中，水浴80℃搅拌反应24h，通过APTMS分子的NH2基团与氧化石墨烯表面的COOH基团发生反应完成枝接，得到的糊状物超声分散2h后即得到硅烷偶联剂接枝的氧化石墨烯溶液；将溶液置于90℃水浴中，缓慢滴加0.4ml水合肼(N2H4·H2O)搅拌反应24h，溶液由棕黄色变为黑色，蒸馏除去过量的二甲基甲酰胺和水合肼，即得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液。
3钢表面石墨烯/硅烷自组装薄膜的制备
配置去离子水和异丙醇体积比为3：7的混合溶液30ml，将预先调节pH为8，取5ml步骤2所得硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液加入醇水混合液中，均匀混合，得到稳定复相体系，在水浴槽中控制此体系温度在50℃条件下反应1小时，APTMS分子在溶液中发生水解，即APTMS分子中的Si-O-CH3键断裂，生成Si-OH硅醇，得到石墨烯/硅烷偶联剂处理液；钢基体经打磨、除油、冲洗、表面羟基化、吹干处理后，浸入处理液中200s后取出烘干，Si-OH与钢表面的OH缩合形成Si-Fe键，即可在钢表面得到石墨烯/硅烷自组装薄膜。
同实施例1，镀膜后的钢片自腐蚀电流远小于未镀膜钢片，说明镀膜后的钢片抗腐蚀性得到很大提高。
实施案例三
1氧化石墨烯分散液的制备
氧化石墨烯的制备方法同案例一，取0.001g氧化石墨烯溶于1mlN-甲基吡咯烷酮（20℃下密度为1.100g/mL）溶液中（氧化石墨烯质量浓度为0.091%），超声2h后形成均匀的分散液，密封保存待用。
2γ-巯基丙基三甲氧基硅烷接枝氧化石墨烯的制备
取20mlγ-巯基丙基三甲氧基硅烷（MPTS结构如图7所示）在搅拌下慢慢滴入分散液中，水浴90℃搅拌反应24h，通过MPTS分子的SH基团与氧化石墨烯表面的COOH基团发生反应完成枝接，得到的糊状物超声分散2h后即得到硅烷偶联剂接枝的氧化石墨烯溶液；将溶液置于90℃水浴中，缓慢滴加0.5ml水合肼(N2H4·H2O)搅拌反应24h，溶液由棕黄色变为黑色，蒸馏除去过量的二甲基甲酰胺和水合肼，即得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液。
3铜表面石墨烯/硅烷自组装薄膜的制备
配置去离子水和甲醇体积比为3：8的混合溶液20ml，将预先调节pH为7，取4ml步骤2所得硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液加入醇水混合液中，均匀混合，得到稳定复相体系，在水浴槽中控制此体系温度在45℃条件下反应2小时，MPTS分子在溶液中发生水解，即MPTS分子中的Si-O-CH3键断裂，生成Si-OH硅醇，得到石墨烯/硅烷偶联剂处理液；金属铜先经1#、4#、6#金相砂纸逐级打磨抛光,然后用丙酮、无水乙醇除油,经电化学抛光后再用去离子水和无水乙醇冲洗干净，表面羟基化后吹干，立即浸入处理液中300s后取出，Si-OH与钢表面的OH缩合形成Si-Cu键，用大量无水乙醇冲洗干净，烘干，即可在铜表面得到石墨烯/硅烷自组装薄膜。
同实施例1，镀膜后的铜片自腐蚀电流远小于未镀膜铜片，说明镀膜后的铜片抗腐蚀性得到很大提高。
采用本方法制备的薄膜可以有效提高金属材料的抗腐蚀能力，制备过程较为简单，对环境无污染，同时具有低能耗、易于实现产业化等特点。
Claims (8)
1.一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：
将氧化石墨烯，超声分散到有机溶剂中，制备质量浓度为0.02％～0.2％的氧化石墨烯分散液，待用；
取体积比为1:10～1:20的氧化石墨烯分散液和硅烷偶联剂，均匀混合，水浴控温80～90℃，搅拌反应20～24h，超声分散后得到硅烷偶联剂接枝的氧化石墨烯溶液，待用；
取体积比为40:1～50:1的硅烷偶联剂接枝的氧化石墨烯溶液和还原剂水合肼，均匀混合，水浴控温90～100℃，搅拌反应20～24h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，待用；
取体积比为1:2～1:10的去离子水与醇，均匀混合成醇水溶液，预先调节pH为6～8，取体积比为1：3～1：8的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液和醇水溶液，均匀混合，控制温度在40～50℃,水解反应1～5小时，冷却至室温，得到石墨烯/硅烷偶联剂处理液，待用；
金属基体经打磨、除油、冲洗、表面羟基化、吹干待用；
将金属基体浸入石墨烯/硅烷偶联剂处理液中200～300s后烘干，得到金属表面石墨烯/硅烷分子自组装膜。
2.如权利要求1所述的一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于：所述的硅烷偶联剂为能溶解于有机溶剂的硅烷偶联剂，具体为胺基类硅烷或巯基类硅烷。
3.如权利要求1所述的一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于：所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)中的一种或二种以上按任意体积比的混合物。
4.如权利要求1所述的一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于：所述的烘干指于100℃烘箱内烘干60分钟。
5.如权利要求1所述的一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于：所述的金属表面羟基化指将金属基体浸没于质量分数为0.5％的NaOH溶液中2分钟。
6.如权利要求1所述的一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于：所述氧化石墨烯采用改进的Hummers法制备，在石墨烯结构中引入了羟基、羧基和环氧基团。
7.如权利要求1所述的一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于：所述的醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇和正丁醇中的一种或二种以上按任意体积比的混合物。
8.如权利要求1所述的一种在金属表面制备石墨烯/硅烷复合薄膜的方法，其特征在于：所述的金属基体为钢、铜、锌、铝、铝合金或镁合金。
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| Preparation and characterization of long-chain alkyl silane-functionalized graphene film;Wen-Shi Ma et al;《Journal of Materials Science》;20120718;第48卷(第1期);第156-161页 * |
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