CN104264196A - 镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法及其合金和应用 - Google Patents

镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法及其合金和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于镁合金表面处理及改性技术领域，公开了一种镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法及其合金和应用。该方法包括以下步骤及工艺条件：以预处理过的镁合金为阴极、铂板为阳极，在电镀液中进行电沉积，即在镁合金表面制备得到超疏水膜层；所用电镀液为Ce(NO3)3·6H2O和脂肪酸的混合溶液。本发明方法可一步同时完成在镁合金表面制备出超疏水结构所需的粗糙结构与低表面能物质，制备得到具有超疏水膜层的镁合金，其制备方法简单，处理过程易于实现，所用溶液均为环保配方、无毒绿色；最快可以1min在镁合金表面获得超疏水膜层，为实现镁合金表面处理的工业应用提供了一种高效的方法，且可推广应用于合金表面处理中。

Description

镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法及其合金和应用
技术领域
本发明属于镁合金表面处理及改性技术领域，特别涉及一种镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法及其合金和应用。
背景技术
镁合金作为目前最轻的金属结构材料，广泛应用于航空航天、电子产品、汽车工业、国防军工等领域。然而，镁属于高活泼性金属，与常用的金属结构材料如铝合金和钢铁相比，在潮湿的空气、含硫气氛及海洋大气中极易发生腐蚀，这严重制约了镁合金的广泛应用。如何改善镁合金的耐腐蚀性能成为当今研究的热点。
荷叶自古以来有着“出淤泥而不染”的美誉，这种特性引起了众多研究者的极大兴趣。自然界中以荷叶为代表的超疏水表面由于不沾水、自清洁等众多独特的功能使超疏水表面成为当前表面科学领域的研究热点。在镁合金表面制备不沾水的超疏水表面能有效的阻碍水及水溶液在镁合金表面的润湿，使镁合金表面的腐蚀速率大大降低。目前在镁合金表面制备超疏水的方法日益增多，如CN102703886A公开了一种镁合金超疏水表面的制备方法，它经过表面酸洗、化学镀银获得表面粗糙结构，然后经过自组装的表面修饰，获得水滴极易滚动的超疏水表面，然而，其化学镀银过程中银层为一层层生长，且容易脱落，且操作步骤繁杂，因此，不适合工业生产。江雷课题组(Applied Physics Letters，2008,92(18),183103)利用化学刻蚀和表面自组装的方法在镁锂合金表面制备了超疏水表面，然而其自组装时间长达12h，且需在100℃加热2h，这种方法通过化学刻蚀法获取粗糙结果再经过低表面自由能修饰获得的超疏水表面，虽然其方法简单，但其周期较长、效率较低，大规模的推广应用难度较大。一般而言，镁合金表面超疏水的制备需要两个步骤：一是在固体表面构造粗糙结构；二是在表面修饰低表面自由能物质；此外，现有的工艺往往需要苛刻的设备，昂贵的试剂，较长的周期，要真正将超疏水表面应用到工业上镁合金反腐领域还有一段距离。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法。该方法一步在镁合金表面制备出超疏水结构所需的粗糙结构与低表面能物质，制备得到超疏水膜层，实现镁合金表面优良的超疏水性能；且该方法极大的缩短了制备周期，处理过程易于实现，适于工业化规模生产。
本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的表面具有超疏水膜层的镁合金，该镁合金具有优良的超疏水性能。
本发明再一目的在于提供上述镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法在合金表面处理中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，包括以下步骤及工艺条件：
以预处理过的镁合金为阴极、铂板为阳极，在电镀液中进行电沉积，即在镁合金表面制备得到超疏水膜层；
所用电镀液为Ce(NO3)3·6H2O和脂肪酸的混合溶液。
优选地，所述电镀液中Ce(NO3)3·6H2O的浓度为0.01～0.2mol/L；脂肪酸的浓度为0.05～0.2mol/L。
优选地，所述的脂肪酸为十二酸、十四酸、十六酸和十八酸中的至少一种。
优选地，所述电沉积的工艺条件为：在直流电压5～50V的条件下，电沉积1～60min。
优选地，所述电镀液以无水乙醇作为溶剂。
优选地，所述的镁合金为ME20镁合金、ZK60镁合金或AZ31镁合金。
所述的预处理为本领域常规简单的打磨、清洗及去油脂等处理即可，优选包括以下步骤：将镁合金表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干待用。
上述方法制备得到的表面具有超疏水膜层的镁合金，具有良好的耐腐蚀性能。
上述镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法工艺简单、耗时少、所用电镀液工艺配方为环保型配方，且本发明方法的电沉积加工工艺条件适用于大面积生产，为工业应用快速、大面积生产超疏水镁合金表面提供了一种可行的方法，且可推广应用于合金表面处理中。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1、本发明的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法可一步同时完成在镁合金表面制备出超疏水结构所需的粗糙结构与低表面能物质，制备得到超疏水膜层，无需使用特殊的设备，其制备方法简单，处理过程易于实现。
2、本发明方法最快可以1min在镁合金表面获得超疏水膜层，极大的缩短了超疏水的制备周期，为实现镁合金表面处理的工业应用提供了一种高效的方法，且可推广应用于合金表面处理中。
3、本发明涉及的溶液配方均不含有对环境和人类身体健康有毒有害成分，属于环保型配方。
附图说明
图1为实施例1中ME20镁合金经一步法制备超疏水膜层的表面形貌。
图2为实施例1中ME20镁合金表面经超疏水膜层改性后与蒸馏水的接触角照片。
图3为实施例1中ME20镁合金表面经超疏水膜层改性后的滚动角照片。
图4为实施例1中ME20镁合金表面经超疏水膜层改性后的极化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
尺寸为30×20×4(mm)的ME20镁合金板材，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：镁合金预处理
将ME20镁合金板材表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Ce(NO3)3·6H2O和十四酸溶于无水乙醇中，其中，Ce(NO3)3·6H2O的浓度为0.1mol/L，十四酸浓度为0.2mol/L；
步骤三：电沉积
以打磨好的镁合金试样为阴极，清洗好的铂板为阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压40V的条件下，电沉积20min，即在阴极表面获得超疏水涂层。
在ME20镁合金表面经一步法电沉积后在表面获得了具有结构特征非常明显的微纳双尺度粗糙结构(见图1)，表面呈现超疏水状态，接触角达到159.6°(见图2)，滚动角小于1°(见图3)。
镁合金表面进行超疏水膜层处理前后的极化曲线结果如图4所示，可知，超疏水膜层处理后镁合金的腐蚀电位提高了100mV，腐蚀电流降低了2个数量级。
实施例2
尺寸为30×15×5(mm)的AZ31镁合金板材，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：镁合金预处理
将AZ31镁合金板材表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Ce(NO3)3·6H2O和十八酸溶于无水乙醇中，其中，Ce(NO3)3·6H2O的浓度为0.01mol/L，十八酸浓度为0.1mol/L；
步骤三：电沉积
以打磨好的镁合金试样为阴极，清洗好的铂板为阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压50V的条件下，电沉积60min，即在阴极表面获得超疏水涂层。
在AZ31镁合金表面经一步法电沉积后在表面获得了具有与示例图1结构类似的微纳双尺度粗糙结构，表面呈现超疏水状态，接触角达到157.2°，滚动角小于1°。
AZ31镁合金表面进行超疏水膜层处理后的耐腐蚀性能得到了极大的提高，超疏水膜层处理后镁合金的腐蚀电位提高了约100mV，腐蚀电流降低了3个数量级。
实施例3
尺寸为20×20×3(mm)的ZK60镁合金板材，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：镁合金预处理
将ZK60镁合金板材表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Ce(NO3)3·6H2O和十二酸溶于无水乙醇中，其中，Ce(NO3)3·6H2O的浓度为0.2mol/L，十二酸浓度为0.05mol/L；
步骤三：电沉积
以打磨好的镁合金试样为阴极，清洗好的铂板为阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压5V的条件下，电沉积1min，即在阴极表面获得超疏水涂层。
在ZK60镁合金表面经一步法电沉积后在表面获得了具有与示例图1结构类似的微纳双尺度粗糙结构，表面呈现超疏水状态，接触角达到156.5°，滚动角小于1°。
ZK60镁合金表面进行超疏水膜层处理后的耐腐蚀性能得到了极大的提高，超疏水膜层处理后镁合金的腐蚀电位提高了约100mV，腐蚀电流降低了2个数量级。
实施例4
尺寸为30×20×4(mm)的ME20镁合金板材，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：镁合金预处理
将ME20镁合金板材表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Ce(NO3)3·6H2O和十六酸溶于无水乙醇中，其中，Ce(NO3)3·6H2O的浓度为0.05mol/L，十六酸浓度为0.1mol/L；
步骤三：电沉积
以打磨好的镁合金试样为阴极，清洗好的铂板为阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压20V的条件下，电沉积30min，即在阴极表面获得超疏水涂层。
在ME20镁合金表面经一步法电沉积后在表面获得了具有与示例图1结构类似的微纳双尺度粗糙结构，表面呈现超疏水状态，接触角达到158.5°，滚动角小于1°。
ME20镁合金表面进行超疏水膜层处理后的耐腐蚀性能得到了极大的提高，超疏水膜层处理后镁合金的腐蚀电位提高了约100mV，腐蚀电流降低了2个数量级。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于包括以下步骤及工艺条件：
以预处理过的镁合金为阴极、铂板为阳极，在电镀液中进行电沉积，即在镁合金表面制备得到超疏水膜层；
所用电镀液为Ce(NO3)3·6H2O和脂肪酸的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述电镀液中Ce(NO3)3·6H2O的浓度为0.01～0.2mol/L；脂肪酸的浓度为0.05～0.2mol/L。
3.根据权利要求1所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述的脂肪酸为十二酸、十四酸、十六酸和十八酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述电沉积的工艺条件为：在直流电压5～50V的条件下，电沉积1～60min。
5.根据权利要求1所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述电镀液以无水乙醇作为溶剂。
6.根据权利要求1所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述的镁合金为ME20镁合金、ZK60镁合金或AZ31镁合金。
7.根据权利要求1所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述的预处理包括以下步骤：将镁合金表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干待用。
8.一种表面具有超疏水膜层的镁合金，其特征在于根据权利要求1～7任一项所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法得到。
9.根据权利要求1～7任一项所述的镁合金表面一步法制备超疏水膜层的方法在合金表面处理中的应用。
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