CN105088314B

CN105088314B - 一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法

Info

Publication number: CN105088314B
Application number: CN201510527099.5A
Authority: CN
Inventors: 白力静; 王冬冬; 杨辉; 陈桂涛
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: CN105088314A

Abstract

本发明公开了一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法，具体为：首先对镁合金进行微弧氧化处理，得到微弧氧化陶瓷层；然后对陶瓷层采用氟硅烷进行修饰、固化，即完成镁合金微弧氧化陶瓷层表面超疏水膜层的构建。本发明通过微弧氧化技术构建制备超疏水所需的微纳结构，避免了酸刻蚀镁合金引起的过腐蚀现象；采用氟硅烷直接修饰微弧氧化陶瓷层，避免了酸等对陶瓷层进行刻蚀时，对陶瓷层本身良好性能的破坏，能够更有效改善的镁合金的耐蚀性，此外氟硅烷由于强憎水基团‑CF₃(CF₂)₅的存在，降低了对微弧氧化工艺的要求，适用于所有不同形貌的微弧氧化陶瓷层。

Description

一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，涉及一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法。

背景技术

近年来，镁合金由于具有良好的比强度、比刚度，电磁屏蔽性及阻尼性能好，特别是可自发降解及重复回收性能好等优点，使得镁合金在航空航天、汽车、生物材料、计算机行业和功能材料以及3C产品方面的应用越来越广泛。但镁合金电极电位低，化学活性极大，即使在大气环境中也易发生氧化，这就限制了它的使用范围。镁合金主要腐蚀形式是电化学腐蚀，隔离镁合金和水分子的接触就可有效提高镁合金的耐蚀性能。目前，在镁合金表面通过酸刻蚀构造出微纳结构，再用有机物修饰制备超疏水表面是常见的提高镁合金耐蚀性能的方法之一。但首先镁合金在酸刻蚀过程中易出现过腐蚀，很难达到所需的微纳结构，制备工艺繁琐、成本较高；其次，酸刻蚀不满足对环境保护日益加强的要求；再次，有机层和金属材料的热导率不相同等，导致结合不好。

镁合金微弧氧化技术适用于所有牌号的镁合金，微弧氧化陶瓷层均以MgO为主。微弧氧化过程瞬间高达8000K，这么高的能量对镁基体中的α-Mg和β-Mg的氧化几乎无区别，对镁合金的热处理状态不要求。电化学镀等技术会由于镁合金牌号不同导致的α-Mg和β-Mg不同，使得化学转化膜有区别。

镁合金上所具有的涂层都是阴极保护涂层，而微弧氧化陶瓷层中的MgO在目前所有的涂层中电极电位和镁合金最接近，涂层和镁基体形成的电位差最小，这样就比其他保护涂层本身对镁合金电化学腐蚀作用要小，不易引起过腐蚀。因此微弧氧化陶瓷层可以有效提高镁合金耐蚀性。但是微弧氧化陶瓷层又不可避免的存在多孔结构以及热裂纹，水分子及腐蚀离子会随着孔洞及热裂纹进入基体，特别在水溶液中耐蚀性能就有限。而微弧氧化陶瓷层表面为多尺度的微纳米级结构，这种形貌的存在恰好能够提供制备超疏水膜层所需的微纳结构。因此如果能在机械性能良好的微弧氧化多孔粗糙陶瓷层上构建一层超疏水膜层，对于镁合金的表面防腐具有良好的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法，有效改善镁合金微弧氧化陶瓷层的耐蚀性。

本发明所采用的技术方案是，一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备镁合金微弧氧化陶瓷层：

将表面预处理后镁合金置于微弧氧化溶液中，镁合金作为阳极，不锈钢板作为阴极，微弧氧化处理，得到镁合金微弧氧化陶瓷层；

步骤2，制备超疏水膜层：

将步骤1得到的具有微弧氧化陶瓷层的镁合金置于的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷乙醇溶液中浸泡，进行陶瓷层修饰；然后对其进行固化，即完成镁合金微弧氧化陶瓷层表面超疏水膜层的构建。

本发明的特点还在于，

步骤1中所述微弧氧化溶液为硅酸盐体系，体系中溶质总含量为18～28g/L。

硅酸盐体系溶液由8～12g/L硅酸钠、6～10g/L氟化钾和4～6g/L氢氧化钾组成。

步骤1中微弧氧化处理参数为：微弧氧化电压400～520V，处理时间3～25min。

步骤2中1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷乙醇溶液的浓度为1～3wt％。

步骤2中浸泡温度为55～60℃，浸泡时间1.5～2.5h。

固化温度为110～130℃，固化时间1.5～2.5h。

本发明的有益效果是，

1、通过微弧氧化技术构建制备超疏水所需的微纳结构，避免了由常规的酸刻蚀镁合金引起的过腐蚀现象，并且微弧氧化溶液呈碱性，对环境不会造成污染，可大量生产。

2、氟硅烷直接修饰微弧氧化陶瓷层，无采用酸等对陶瓷层进行刻蚀，避免了对陶瓷层本身良好性能的破坏，能够更有效改善的镁合金的耐蚀性。

3、氟硅烷由于强憎水基团-CF₃(CF₂)₅的存在，降低了对微弧氧化工艺的要求，适用于所有不同形貌的微弧氧化陶瓷层。

附图说明

图1是本发明制得的镁合金微弧氧化陶瓷层的SEM图；

图2是本发明制得的超疏水膜层接触角图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备镁合金微弧氧化陶瓷层：

1.1对镁合金进行表面预处理，去油、SiC砂纸打磨；

1.2将预处理后的镁合金置于微弧氧化溶液中，镁合金作为阳极，不锈钢板作为阴极，微弧氧化处理，得到镁合金微弧氧化陶瓷层。微弧氧化处理参数为：微弧氧化电压400～520V，处理时间3～25min。微弧氧化溶液为硅酸盐体系，体系中溶质总含量为18～28g/L，其中硅酸钠8～12g/L，氟化钾6～10g/L，氢氧化钾4～6g/L。

步骤2，制备超疏水膜层：

2.1低表面能物质硬脂酸修饰：

将步骤1得到的具有微弧氧化陶瓷层的镁合金置于1～3wt％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷乙醇溶液中，55～65℃的水浴浸泡1.5～2.5h，即完成镁合金微弧氧化陶瓷层的修饰。

氟硅烷具有较低的表面能，而超疏水性能的获得与表面能和粗糙度两个因素有关，表面能越低疏水性越强。因此，在具有多孔微纳粗糙的陶瓷层表面直接修饰低表面能物质，可构建出超疏水表面。

2.2表面固化：

将步骤2.1修饰后的镁合金放入干燥箱，在110～120℃下干燥1.5～2.5h，使1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷固化，以增加氟硅烷结合的稳定性，即完成镁合金微弧氧化陶瓷层表面超疏水膜层的构建。

本发明在微弧氧化过程中控制相应的参数，可快速、准确制备出机械性能良好并有利于构建超疏水膜层的多孔微纳粗糙陶瓷层结构；同时，在浸泡过程采用疏水链长的低表面能物质对陶瓷层进行修饰，并且控制相应的反应参数，进而完成在镁合金微弧氧化陶瓷层表面超疏水膜层的构建，制备得到的超疏水膜层接触角高达154°，具有制备效率高、膜层质量好的特点。

实施例1

步骤1，对AZ31镁合金表面进行预处理，去油、SiC砂纸打磨。将预处理的镁合金放入电解液中，其中硅酸钠8g/L，氟化钾6g/L，氢氧化钾4g/L，控制微弧氧化电压为520V，微弧氧化处理25min，得到镁合金微弧氧化陶瓷层。

图1为制备得到的镁合金微弧氧化陶瓷层的SEM图，可以看出，经过微弧氧化处理后，镁合金表面被一层蜂窝状微弧氧化膜所覆盖，具有一定的粗糙度，存在大量不穿透的微米级和纳米级的盲孔，并且由高温凝固成的微米级圆形粗糙结构上，分布着纳米级结构，两者构成微纳米多尺度结构。结合构建超疏水膜层的理论可知微弧氧化陶瓷层的表面结构有利于超疏水膜层的制备。

步骤2，将经步骤1处理的试样置于1wt％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷乙醇溶液中，60℃浸泡2h；然后在120℃下干燥2h，即完成在AZ31镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层。

本发明可在氧化时间为25min，陶瓷层厚度为40μm的AZ31镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层。图2为制备得到的超疏水膜层表面形貌图，其接触角为154°，超疏水膜层的腐蚀电流比微弧氧化陶瓷层的腐蚀电流下降了3个数量级，有效提高了陶瓷层的耐蚀性。

实施例2

步骤1，对AZ91镁合金表面进行预处理，去油、SiC砂纸打磨。将预处理的镁合金放入电解液中，其中硅酸钠10g/L，氟化钾8g/L，氢氧化钾5g/L，控制微弧氧化电压为480V，微弧氧化处理3min，得到镁合金微弧氧化陶瓷层。

步骤2，将经步骤1处理的试样置于3wt％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷乙醇溶液中，55℃浸泡2.5h；然后在110℃下干燥2.5h，即完成在AZ91镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层。

本发明可在氧化时间为3min，陶瓷层厚度为5μm的AZ91镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层。其接触角为151°，超疏水膜层的腐蚀电流比微弧氧化陶瓷层的腐蚀电流下降了2个数量级，有效提高了陶瓷层的耐蚀性。

实施例3

步骤1，对MB26镁合金表面进行预处理，去油、SiC砂纸打磨。将预处理的镁合金放入电解液中，其中硅酸钠12g/L，氟化钾10g/L，氢氧化钾6g/L，控制微弧氧化电压为400V，微弧氧化处理14min，得到镁合金微弧氧化陶瓷层。

步骤2，将经步骤1处理的试样置于2wt％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷乙醇溶液中，65℃浸泡1.5h；然后在130℃下干燥1.5h，即完成在MB26镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层。

本发明可在氧化时间为14min，陶瓷层厚度为20μm的MB26镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层。其接触角为153°，超疏水膜层的腐蚀电流比微弧氧化陶瓷层的腐蚀电流下降了3个数量级，有效提高了陶瓷层的耐蚀性。

Claims

1.一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备镁合金微弧氧化陶瓷层：

将表面预处理后镁合金置于微弧氧化溶液中，镁合金作为阳极，不锈钢板作为阴极，微弧氧化处理，微弧氧化电压400～520V，处理时间3～25min，得到镁合金微弧氧化陶瓷层；

所述微弧氧化溶液为硅酸盐体系，体系中溶质总含量为18～28g/L；硅酸盐体系溶液由8～12g/L硅酸钠、6～10g/L氟化钾和4～6g/L氢氧化钾组成；

步骤2，制备超疏水膜层：

将步骤1得到的具有微弧氧化陶瓷层的镁合金置于浓度为1～3wt％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷乙醇溶液中，55～65℃浸泡1.5～2.5h，进行陶瓷层修饰；然后对其进行固化，即完成镁合金微弧氧化陶瓷层表面超疏水膜层的构建。

2.根据权利要求1所述的一种在镁合金微弧氧化陶瓷层表面构建超疏水膜层的方法，其特征在于，固化温度为110～130℃，固化时间1.5～2.5h。