CN104561999B - 一种在镁合金表面制备超疏水膜层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在镁合金表面制备超疏水膜层的制备方法，主要包括以下步骤：配制摩尔浓度为0.1M Zn(CH₃COO)₂·2H₂O、0.05M Al(OH)₃，pH＝10～11的混合溶液，将上述溶液移至不锈钢水热合成反应釜中，将经过预处理的镁合金试样垂直插入混合溶液，在60℃恒温水浴锅中反应5h，镁合金表面得到微/纳米多级结构的粗糙表面；将上述粗糙表面放置在0.05M硬脂酸乙醇溶液中5h后，在镁合金表面制备了超疏水膜层。通过电化学测试超疏水处理前后镁合金的耐蚀性能，对比发现超疏水膜层能够显著提高镁合金的耐蚀性。此外，本发明制备的类水滑石超疏水膜层在大气环境下其超疏水性能具有较好的稳定性。

Description

一种在镁合金表面制备超疏水膜层的方法

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术及表面改性领域，具体涉及一种镁合金表面原位生长类水滑石超疏水膜层的制备方法。

背景技术

在实际应用的金属材料中，镁合金是最轻的金属结构材料，其比重仅为铁的1/4、铝的2/3，并且具有高的比强度和比刚度、良好的电磁屏蔽性能、切削加工性能、铸造性能及生物可降解性能，因此镁合金被誉为“21世纪的绿色工程材料”，广泛地应用在汽车制造、航空领域、医用生物材料和3C产业中。特别是当今能源和环境问题的日益加剧和汽车工业的飞速发展，汽车轻量化能够显著的降低能源的消耗和废气的排放量，使得镁合金可作为汽车轮毂、方向盘、变速箱壳、座位架等汽车零部件，逐渐获得汽车工业的青睐。

然而，镁合金本身非常活泼，化学性质很不稳定，与常用的金属结构材料如钢铁材料和铝合金等相比，在水介质以及潮湿环境中极易发生腐蚀，进而严重制约了镁合金的广泛应用。目前提高镁合金耐腐蚀性的方法主要分为两种，一方面是通过大塑性变形晶粒细化或添加合金元素，改变镁合金内部微观组织和合金成分来提高镁合金材料的耐腐蚀性，另一方面是对镁合金表面处理及表面改性来实现。由于大塑性变形晶粒细化或合金化处理过程复杂、成本较高，所以大部分研究工作集中在镁合金表面处理及表面改性上。近年来，受自然界中动植物表面超疏水现象的启发(如荷叶“出淤泥而不染”、水黾“水上漂”等)，广大学者对超疏水特性的研究产生了极大地兴趣。由于，超疏水表面具有很大的接触角和较小的滚动角，使得液滴很难在其表面上稳定的停留。在镁合金表面制备超疏水表面，一方面能够有效地降低镁合金与水溶液接触的机会，使镁合金的腐蚀速率大大的降低；另一方面还可以使镁合金表面获得防水、防污、自清洁等功能，具有重要的实际应用前景。

目前，国内外关于在镁合金表面构筑超疏水表面的方法已有一些相关的报道。如：专利(CN 101468425A)采用微弧氧化工艺在镁合金表面构筑微/纳多孔结构的粗糙表面，通过丙烯酸溶液处理，最后在其表面旋涂乙烯基聚二甲基硅氧烷并干燥处理后，是镁合金表面获得超疏水表面；如：Yin等人采用硝酸和硝酸铜的混合溶液为制备镁合金表面微/纳结构的刻蚀溶液，然后通过正辛基三乙氧基硅烷表面修饰，在镁合金表面制备出超疏水表面；如：专利(CN 104005026A)通过对镁合金依次进行化学镀镍和电沉积钴，在镁合金表面构筑粗糙表面结构，最后经低表面能物质修饰，使镁合金表面获得超疏水表面。以往报道的制备超疏水表面的制备工艺，有些工艺采用比较昂贵的设备，有些工艺在制备过程中使用一些强酸，在反应过程中会产生刺激性的气体，对操作人员和环境危害较大，还有些工艺的制备过程较为复杂等，因而利用简单有效的方法制备性能优异的超疏水表面是目前亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在镁合金表面制备超疏水膜层的制备方法，采用该方法可以在镁合金表面原位生长具有微/纳米多级结构的粗糙表面，再通过低表面自由能物质硬脂酸乙醇溶液浸泡修饰后，镁合金表面即可获得具有超疏水的性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种在镁合金表面制备超疏水膜层的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)对镁合金表面进行预处理；

(2)配制摩尔浓度为0.1M Zn(CH₃COO)₂·2H₂O、0.05M Al(OH)₃的混合溶液；

(3)在镁合金表面原位生长微/纳米多级结构的粗糙表面；

(4)将具备微/纳米多级结构的粗糙表面放入硬脂酸乙醇溶液，浸泡、清洗、吹干，即得到具有超疏水膜层的镁合金。

步骤(1)所述的镁合金表面预处理包括打磨、除油和超声清洗工艺。

步骤(2)所述的混合溶液的pH＝10～11，pH值是通过逐滴加入氨水调节的。

步骤(3)所述的镁合金表面原位生长微/纳米多级结构的粗糙表面的制备方法是：将步骤(2)所配制的溶液搅拌均匀后转移至不锈钢水热合成反应釜中，并把不锈钢水热合成反应釜放置在60℃恒温水浴锅中反应5h，即得到原位生长微/纳米多级结构的粗糙表面。

步骤(4)所述硬脂酸乙醇溶液摩尔浓度为0.05M，温度为室温，浸泡时间5h。清洗用去离子水，吹干用吹风机。

本发明相对于已经报道的技术方法，具有以下优点及有益的效果：

1、本发明的镁合金表面制备超疏水膜层的方法，处理过程简单，制备工艺易于实现，无需使用特殊昂贵的设备。

2、本发明的镁合金表面制备超疏水膜层的方法，是在镁合金表面原位生长一层微/纳米多级结构的粗糙表面，其表面形貌易于控制(如图1)。

3、本发明的镁合金表面制备超疏水膜层的方法，是采用硬脂酸乙醇溶液作为低表面自由能修饰溶液，在制备和操作过程中对操作人员无危险且对环境没有污染，表面修饰后镁合金表面对水的接触角大于160°，并且在大气环境下具有较好的稳定性。

4、本发明的镁合金表面制备超疏水膜层的方法，对制备的超疏水膜层镁合金试样进行电化学测试，动电位扫描极化曲线和电化学阻抗谱实验结果显示：超疏水涂层能够显著地提高镁合金的耐腐蚀性能(如图2、图3)。

附图说明

图1为实例一AZ91镁合金表面原位生长类水滑石膜层的SEM图

图2镁合金超疏水膜层试样在3.5wt.％NaCl溶液中动电位扫描极化曲线。

图3镁合金超疏水膜层试样在3.5wt.％NaCl溶液中奎斯特图谱。

具体实施方式

实施例一

材质为AZ91镁合金板材，经过表面处理后放入预先配制的溶液中，采用水热法在镁合金表面原位生长一层类水滑石微/纳米多级结构的粗糙表面，再经过低表面自由能修饰后获得超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：

(1)AZ91镁合金表面预处理：依次使用400、800、1500目SiC砂纸打磨镁合金基体，去除镁合金表面氧化物、毛刺等；用去离子水冲洗打磨后的镁合金试样表面，并把冲洗后的镁合金试样放入丙酮中超声清洗15min，取出后用无水乙醇清洗、吹风机吹干试样表面，放入干燥皿中待用。

(2)配制反应溶液：反应溶液成分为摩尔浓度为0.1M Zn(CH₃COO)₂·2H₂O、0.05MAl(OH)₃，pH＝10的混合溶液，溶液的pH数值是通过氨水逐滴调节的。

(3)原位生长微/纳米多级结构的粗糙表面：把步骤(1)中预处理后的镁合金试样放入步骤(2)配制的反应溶液中，反应容器为水热合成反应釜，在60℃恒温水浴锅中反应5h，反应结束后依次用去离子水、无水乙醇清洗，吹风机吹干。

(4)低表面自由能修饰：把步骤(3)获得的试样放入摩尔浓度为0.05M硬脂酸乙醇溶液中5h，温度为室温，修饰结束后用无水乙醇清洗，吹风机吹干后即在镁合金表面获得超疏水膜层。

AZ91镁合金表面经过预处理、水热合成反应后，表面获得了非常明显的微/纳多级结构的粗糙表面(见图1)，经低表面自由能物质硬脂酸乙醇溶液修饰后，获得接触角达到165.6°的超疏水表面。在3.5wt.％NaCl溶液中，通过电化学测试对比未经处理的镁合金、仅有类水滑石膜层的镁合金和类水滑石超疏水膜层的镁合金的抗腐蚀性能，实验结果证明镁合金表面类水滑石超疏水膜层可以显著降低腐蚀电流密度，提高镁合金的耐腐蚀性能。

实施例二

实施例二在镁合金表面制备超疏水膜层的方法与实施例一基本相同，不同之处在于：步骤(2)溶液的pH＝10改为pH＝10.5，步骤(4)低表面自由能修饰的时间改为4h，温度为室温，修饰结束后用无水乙醇清洗，吹风机吹干后即在镁合金表面获得超疏水膜层。

实施例三

实施例三在镁合金表面制备超疏水膜层的方法与实施例一基本相同，不同之处在于：步骤(2)溶液的pH＝10改为pH＝11，步骤(3)中恒温水浴锅的温度设置在70℃，步骤(4)低表面自由能修饰的时间改为3h，温度为室温，修饰结束后用无水乙醇清洗，吹风机吹干后即在镁合金表面获得超疏水膜层。

Claims (3)

1.一种在镁合金表面制备超疏水膜层的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对镁合金表面进行预处理；

(2)配制摩尔浓度为0.1M Zn(CH₃COO)₂·2H₂O、0.05M Al(OH)₃的混合溶液；

(3)在镁合金表面原位生长微/纳米多级结构的粗糙表面；所述的镁合金表面原位生长微/纳米多级结构的粗糙表面的制备方法是：将步骤(2)所配制的溶液搅拌均匀后转移至不锈钢水热合成反应釜中，并把不锈钢水热合成反应釜放置在60℃恒温水浴锅中反应5h，即得到原位生长微/纳米多级结构的粗糙表面；

(4)将具备微/纳米多级结构的粗糙表面放入硬脂酸乙醇溶液，浸泡、清洗、吹干，即得到具有超疏水膜层的镁合金；所述硬脂酸乙醇溶液摩尔浓度为0.05M，浸泡时间5h，温度为室温。

2.根据权利要求1所述的在镁合金表面制备超疏水膜层的方法，其特征在于：镁合金表面预处理包括打磨、除油和超声清洗工艺。

3.根据权利要求1所述的在镁合金表面制备超疏水膜层的方法，其特征在于：混合溶液的pH＝10～11，pH值是通过逐滴加入氨水调节的。