CN105420788A - 一种纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层及其制备方法 - Google Patents

一种纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物医用金属材料的表面处理技术领域，具体涉及一种纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层及其制备方法。将纯镁或镁合金基底材料经预处理后，进行微弧氧化处理以及疏水处理，成功制得纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层。该所述涂层的成分为磷酸镁以及氧化镁，涂层的厚度为5~20μm。所述的疏水微弧氧化涂层与镁合金基底结合紧密，与模拟体液的接触角大于90°，表现出疏水性能。镁合金表面疏水微弧氧化涂层在体外模拟体液浸泡的前期能够有效地提高镁合金在模拟体液中的耐腐蚀性能，同时在模拟体液浸泡后期缓慢降解，诱导钙磷盐沉积，具有良好的实用价值和应用前景。

Description

一种纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用金属材料的表面处理技术领域，具体涉及一种纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层的制备方法。
背景技术
镁合金与传统的骨植入材料（不锈钢、Co-Cr合金以及钛合金）相比，具有安全无毒，在体内可降解，弹性模量与人骨最接近，不易造成应力遮挡效应，从而成为最有发展潜力的骨植入材料。但是由于镁合金的化学性质活泼，容易发生腐蚀，导致镁合金植入体在骨损伤未愈合之前发生严重的点蚀，失去其应有的力学性能，造成手术的失败，给患者带来更大的精神压力。
为了降低生物镁合金在人体或者是类体液介质中的降解速率，对镁合金进行适当表面处理就显得格外重要。通常是在镁合金表面制备一层羟基磷灰石涂层，既能有效地提高镁合金的耐腐蚀性能，同时也可以改善镁合金骨植入材料的生物相容性，促进骨损伤处的新骨的形成。常见的方法有电化学沉积、溶胶凝胶法、激光熔覆以及微弧氧化这几种。通过电沉积进行表面处理，具有操作简单，方便易行等优点，但涂层与基底的结合力不好，涂层容易剥落。激光熔覆法的成本太高，仅适合于实验室研究，难以实现产业化。通过微弧氧化法制备的涂层具有与基底的结合性能好、耐腐蚀能力强、简单易操作等优点，成为当今的研究热点之一。微弧氧化涂层呈现多孔的表面形貌，增大了涂层的表面积，有利于骨细胞在涂层上面附着和繁殖。与此同时，也会使体液或者是类体液介质通过多孔的通道进入涂层内部从而发生点蚀，降低涂层的耐腐蚀性能。正因于此，学者们研究了微弧氧化电解液成分、添加剂的种类以及表面活性剂等不同因素对微弧氧化涂层的影响。
疏水或者超疏水表面是指固液接触角大于90°的表面，其在金属防腐、自清洁等领域有着广泛的应用，通常采用以下两种方式来获得疏水表面：对粗糙表面修饰低表面能的物质或者是将低表面能的物质做成粗糙的表面。硬脂酸是制备纳米固体脂质的环境友好型材料。采用环境友好的硬脂酸疏水处理试剂对镁合金微弧氧化涂层进行疏水处理，形成疏水微弧氧化涂层，有利于提高单一微弧氧化对镁合金的保护能力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种制备方法简单合理、可操作性强、耐腐蚀性能高的纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层及其制备方法。镁合金表面疏水微弧氧化涂层在体外模拟体液浸泡的前期能够有效地提高镁合金在模拟体液中的耐腐蚀性能，同时在模拟体液浸泡后期缓慢降解，诱导钙磷盐沉积，具有良好的实用价值和应用前景。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层的制备方法，包含以下步骤：
（1）材料的预处理：选用纯镁或镁合金作为基底材料，先用100~1000号的SiC金相砂纸依次打磨抛光，然后放入酒精和丙酮的混合溶液中，进行超声清洗10~60min，室温下干燥；
（2）配制微弧氧化电解液：按照磷酸钠的浓度为20~80g/L，氢氧化钠的浓度为1-10g/L配制微弧氧化电解液；
（3）疏水处理溶液的配制：配制浓度为0.01~0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液；
（4）微弧氧化涂层的制备：以步骤（1）处理后的基底材料作为阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极和阴极浸入到步骤（2）配制的微弧氧化电解液中，两电极之间的距离保持3~6cm，在室温下进行微弧氧化处理，微弧氧化的电压为200~300V，微弧氧化的时间为10~60min，反应完成之后将阳极材料用去离子水冲洗，干燥备用；
（5）疏水微弧氧化涂层的制备：将步骤（4）制备的阳极材料浸泡在步骤（3）的疏水处理溶液中，浸泡时间为10~60min，然后放在烘箱中60℃干燥处理1~2h。
步骤（1）所述的酒精和丙酮的混合溶液中，酒精和丙酮的体积比为1:1。
步骤（1）所述的镁合金包括MgSr合金、MgCa合金、MgZn合金、MgZnZr合金和MgZnCa合金中的一种。
如上所述的制备方法制得的纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层，所述的纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层由磷酸镁及氧化镁组成，厚度为5~20μm；该涂层与模拟体液的静态接触角为90°~150°。
本发明的有益效果在于：
1）本发明的制备方法简单合理、可操作性强；所制得的涂层耐腐蚀性能高、疏水性能好；
2）镁合金表面疏水微弧氧化涂层在体外模拟体液浸泡的前期能够有效地提高镁合金在模拟体液中的耐腐蚀性能，同时在模拟体液浸泡后期缓慢降解，诱导钙磷盐沉积，具有良好的实用价值和应用前景。
附图说明
图1为采用本发明的方法制备的疏水微弧氧化涂层的SEM照片；其中：(a)在硬脂酸中浸泡10min；(b)在硬脂酸中浸泡30min；(c)在硬脂酸中浸泡60min；
图2为采用本发明的方法制备的在硬脂酸中浸泡60min所得的疏水微弧氧化涂层的红外图谱；
图3为采用本发明的方法制备的样品与模拟体液在室温下的静态接触角；其中：(a)微弧氧化样品；(b)在硬脂酸中浸泡10min；(c)在硬脂酸中浸泡30min；(d)在硬脂酸中浸泡60min；
图4为采用本发明的方法制备的涂层在37℃的模拟体液中的电化学极化曲线；其中曲线分别指：AZ31镁合金；AZ31微弧氧化涂层；在硬脂酸中处理10min；在硬脂酸中处理30min；在硬脂酸中处理60min。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明所保护内容不仅限于此。
实施例1
（1）材料的预处理：选用AZ31镁合金作为基底材料，先用100~1000号的SiC金相砂纸依次打磨抛光，然后放入酒精和丙酮的混合溶液（体积比为1:1）中进行超声清洗30min，室温下干燥；
（2）配制微弧氧化电解液：按照磷酸钠（Na3PO4）的浓度为54g/L，氢氧化钠的浓度为2g/L配制微弧氧化电解液；
（3）疏水处理溶液的配制：配制浓度为0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液；
（4）微弧氧化涂层的制备：以步骤（1）处理后的镁合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极和阴极浸入到步骤（2）的微弧氧化电解液中，两电极之间的距离保持2cm，在室温下进行微弧氧化处理，微弧氧化的电位为200V，微弧氧化的时间为60min，反应完成之后将阳极材料用去离子水冲洗，干燥备用；
（5）疏水微弧氧化涂层的制备：将步骤（4）制备的阳极材料浸泡在步骤（3）的溶液中，浸泡时间为10min，然后放在烘箱中60℃干燥处理2h。
实施例2
（1）材料的预处理：选用AZ31镁合金作为基底材料，先用100~1000号的SiC金相砂纸依次打磨抛光，然后放入酒精和丙酮的混合溶液（体积比为1:1）中进行超声清洗30min，室温下干燥；
（2）配制微弧氧化电解液：按照磷酸钠（Na3PO4）的浓度为20g/L，氢氧化钠的浓度为10g/L配制微弧氧化电解液；
（3）疏水处理溶液的配制：配制浓度为0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液；
（4）微弧氧化涂层的制备：以步骤（1）处理后的镁合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极和阴极浸入到步骤（2）的微弧氧化电解液中，两电极之间的距离保持2cm，在室温下进行微弧氧化处理，微弧氧化的电位为300V，微弧氧化的时间为10min，反应完成之后将阳极材料用去离子水冲洗，干燥备用；
（5）疏水微弧氧化涂层的制备：将步骤（4）制备的阳极材料浸泡在步骤（3）的溶液中，浸泡时间为30min，然后放在烘箱中60℃干燥处理2h。
实施例3
（1）材料的预处理：选用AZ31镁合金作为基底材料，先用100~1000号的SiC金相砂纸依次打磨抛光，然后放入酒精和丙酮的混合溶液（体积比为1:1）中进行超声清洗30min，室温下干燥；
（2）配制微弧氧化电解液：按照磷酸钠的浓度为80g/L，氢氧化钠的浓度为1g/L配制微弧氧化电解液；
（3）疏水处理溶液的配制：配制浓度为0.05mol/L的硬脂酸乙醇溶液；
（4）微弧氧化涂层的制备：以步骤（1）处理后的镁合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极和阴极浸入到步骤（2）的微弧氧化电解液中，两电极之间的距离保持2cm，在室温下进行微弧氧化处理，微弧氧化的电位为240V，微弧氧化的时间为30min，反应完成之后将阳极材料用去离子水冲洗，干燥备用；
（5）疏水微弧氧化涂层的制备：将步骤（4）制备的阳极材料浸泡在步骤（3）的溶液中，浸泡时间为60min，然后放在烘箱中60℃干燥处理2h。
实施例4
（1）材料的预处理：选用AZ31镁合金作为基底材料，先用100~1000号的SiC金相砂纸依次打磨抛光，然后放入酒精和丙酮的混合溶液（体积比为1:1）中进行超声清洗30min，室温下干燥；
（2）配制微弧氧化电解液：按照磷酸钠的浓度为54g/L，氢氧化钠的浓度为2g/L配制微弧氧化电解液；
（3）疏水处理溶液的配制：配制浓度为0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液；
（4）微弧氧化涂层的制备：以步骤（1）处理后的镁合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极和阴极浸入到步骤（2）的微弧氧化电解液中，两电极之间的距离保持2cm，在室温下进行微弧氧化处理，微弧氧化的电位为240V，微弧氧化的时间为30min，反应完成之后将阳极材料用去离子水冲洗，干燥备用；
（5）疏水微弧氧化涂层的制备：将步骤（4）制备的阳极材料浸泡在步骤（3）的溶液中，浸泡时间为60min，然后放在烘箱中60℃干燥处理2h。
实施例5
（1）材料的预处理：选用AZ31镁合金作为基底材料，先用100~1000号的SiC金相砂纸依次打磨抛光，然后放入酒精和丙酮的混合溶液（体积比为1:1）中进行超声清洗30min，室温下干燥；
（2）配制微弧氧化电解液：按照磷酸钠的浓度为54g/L，氢氧化钠的浓度为2g/L配制微弧氧化电解液；
（3）疏水处理溶液的配制：配制浓度为0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液；
（4）微弧氧化涂层的制备：以步骤（1）处理后的镁合金作为阳极，不锈钢片作为阳极，将阳极和阴极浸入到步骤（2）的微弧氧化电解液中，两电极之间的距离保持2cm，在室温下进行微弧氧化处理，微弧氧化的电位为240V，微弧氧化的时间为60min，反应完成之后将阳极材料用去离子水冲洗，干燥备用；
（5）疏水微弧氧化涂层的制备：将步骤（4）制备的阳极材料浸泡在步骤（3）的溶液中，浸泡时间为60min，然后放在烘箱中60℃干燥处理2h。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）材料的预处理：选用纯镁或镁合金作为基底材料，先用100~1000号的SiC金相砂纸依次打磨抛光，然后放入酒精和丙酮的混合溶液中，进行超声清洗10~60min，室温下干燥；
（2）配制微弧氧化电解液：按照磷酸钠的浓度为20~80g/L，氢氧化钠的浓度为1-10g/L配制微弧氧化电解液；
（3）疏水处理溶液的配制：配制浓度为0.01~0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液；
（4）微弧氧化涂层的制备：以步骤（1）处理后的基底材料作为阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极和阴极浸入到步骤（2）配制的微弧氧化电解液中，两电极之间的距离保持3~6cm，在室温下进行微弧氧化处理，微弧氧化的电压为200~300V，微弧氧化的时间为10~60min，反应完成之后将阳极材料用去离子水冲洗，干燥备用；
（5）疏水微弧氧化涂层的制备：将步骤（4）制备的阳极材料浸泡在步骤（3）的疏水处理溶液中，浸泡时间为10~60min，然后放在烘箱中60℃干燥处理1~2h。
2.根据权利要求1所述的纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的酒精和丙酮的混合溶液中，酒精和丙酮的体积比为1:1。
3.根据权利要求1所述的纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的镁合金包括MgSr合金、MgCa合金、MgZn合金、MgZnZr合金和MgZnCa合金中的一种。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的制备方法制得的纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层，其特征在于：所述的纯镁或镁合金表面疏水微弧氧化涂层由磷酸镁及氧化镁组成，厚度为5~20μm；该涂层与模拟体液的静态接触角为90°~150°。
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