CN105951065B - 一种有机/无机复合涂层的制备方法 - Google Patents

一种有机/无机复合涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机/无机复合涂层的制备方法,属于功能材料和金属表面防护技术领域。所述制备方法包括金属基底预处理、制备纳米无机金属氧化物涂层和有机聚合物涂层的步骤,本发明以一种以纳米无机金属氧化物涂层为内层,以有机聚合物涂层为外层,充分结合无机金属氧化物和有机聚合物各自的优点,制备出防护性能更好的纳米无机金属氧化物/有机聚合物复合涂层。无机金属氧化物涂层为有机聚合物涂层的生长提供了良好的基底,有机聚合物涂层的覆盖避免了无机金属氧化物涂层的破裂,这种复合涂层具有更好的稳定性和防护性。相比较单独的涂层,复合涂层具有更正的腐蚀电位及更大的电阻,其具有更好的防腐性能。

Description

一种有机/无机复合涂层的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料和金属表面防护技术领域,涉及金属表面的防腐技术,即新型纳米无机金属氧化物/有机聚合物复合涂层的制备,能有效减少金属表面的电化学腐蚀。
背景技术
金属制品尤其是钢材暴露在空气中时,会产生严重的腐蚀。为了减轻腐蚀,常用的方法有三类:1,牺牲金属的阳极保护法,例如牺牲锌阳极保护金属铁;2,金属表面铬酸盐化,铬酸盐可以抑制金属的腐蚀,但铬酸盐本身也存在较大的毒性,对环境有较大的危害;3,表面喷涂保护层。
第三种方法由于成本低、方法简便,因而最为常见。其中,无机材料如二氧化钛、氧化锌等由于具有自清洁、防雾、亲疏水可调控等优异性能,常被应用在涂层中。然而,无机金属氧化物材料在单独使用时,形成的防护膜在厚度增加时容易破碎,这不利于实际应用。有机聚合物材料亦被广泛应用于表面涂层防护材料,例如具有化学稳定、热稳定特性的聚苯胺、聚吡咯等。将纳米无机金属氧化物和有机聚合物制备成复合涂层,能将无机材料和有机材料的优点充分结合起来,提高对金属表面的防护性能。
发明内容
本发明的目的在于,充分结合无机金属氧化物和有机聚合物各自的优点,制备出防护性能更好的纳米无机金属氧化物/有机聚合物复合涂层。为了克服纳米无机金属氧化物涂层容易破碎和有机聚合物涂层难以在金属基底表面成形的问题,本发明提供一种有机/无机复合涂层的制备方法,在金属表面首先形成纳米无机金属氧化物的涂层,然后生长有机聚合物涂层,最终形成一种复合涂层。首先形成的较薄的无机金属氧化物涂层为有机聚合物的生长提供了良好的基底,避免了生长有机聚合物时金属的溶解,同时有机聚合物涂层的覆盖也避免了无机金属氧化物涂层的破裂,复合涂层的存在大幅度提升了对金属表面的防护性能。
本发明提供的有机/无机复合涂层的制备方法,具体方法步骤如下:
第一步,金属基底预处理:将金属基底用砂纸磨光,并用超声仪在丙酮、乙醇、去离子水中依次清洗干净,晾干。
第二步,在预处理后的金属基底上制备纳米无机金属氧化物涂层:先制备纳米无机金属氧化物溶胶,再通过浸渍提拉法在预处理后的金属基底表面形成纳米无机金属氧化物涂层。根据需要选择适当的涂覆层数以得到所需要厚度的保护涂层。
第三步:将第二步得到的涂覆有纳米无机金属氧化物涂层的金属基底进行热处理,使纳米无机金属氧化物涂层有良好的晶型。之后通过电化学沉积方法在纳米无机金属氧化物涂层表面继续沉积有机聚合物涂层,从而得到有机/无机复合涂层。
本发明所采用的化学药品纯度均为分析纯级别。
第二步中所述的纳米无机金属氧化物溶胶中纳米无机金属氧化物选择纳米二氧化钛或氧化锌,粒径尺寸范围为10nm~50nm。
第二步中所述的纳米无机金属氧化物溶胶中无机金属氧化物为纳米二氧化钛时,其溶胶的制备过程如下:首先将30~60mL的钛酸四异丙酯与1mL异丙醇混合后的液体缓慢滴加到乙酸和去离子水的混合液中,滴加过程保持乙酸和去离子水混合液的温度为0摄氏度。所述的乙酸和去离子水的混合液中乙酸的体积为80~100mL,乙酸和水的体积比为1:3。滴加完成后所得的混合液在不断搅拌的条件下,在70~90摄氏度下反应8个小时,得到白色溶胶。最后将所述白色溶胶转移到聚四氟乙烯反应釜中在180~230摄氏度的条件下反应24个小时,得到纳米二氧化钛溶胶。
第二步中所述的纳米无机金属氧化物溶胶中无机金属氧化物为氧化锌时,其溶胶制备过程如下:首先配置溶剂为水和乙醇、溶质为乙酸锌和聚乙二醇400的溶液;所述溶液中水和乙醇的体积比为1:1,乙酸锌的浓度范围为0.5~2mol/L,聚乙二醇400的质量分数为2%。然后在充分搅拌的条件下,逐渐向所述溶液中添加氨水使锌离子先形成Zn(OH)2沉淀再逐步溶解为纳米级的Zn(OH)4 2-溶胶。最后使用pH试纸测定溶胶pH为10~11时停止添加氨水,溶胶制备完成。
第二步中所述的浸渍提拉法,浸入及提升速度均为2mm/s,浸泡时间为120s;之后干燥,获得一层纳米无机金属氧化物涂层。重复上述浸渍提拉过程可获得多层的纳米无机金属氧化物涂层。
第三步中所述的热处理是指将涂覆有纳米无机金属氧化物涂层的金属基底置于马弗炉中进行热处理,以除去纳米无机金属氧化物涂层中多余的有机物,获得晶型较好的纳米无机金属氧化物涂层。热处理条件为400~450摄氏度热处理60min。
第三步中所述的有机聚合物涂层选择的有机聚合物为聚苯胺或者聚吡咯。当选择聚苯胺时,电化学沉积方法如下:所用仪器为电化学工作站,采用三电极体系,其中工作电极为沉积了纳米无机金属氧化物涂层的金属基底,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极。使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质为0.2mol/L的硫酸和0.1mol/L~0.5mol/L的苯胺。电位扫描速率为0.01~0.1V/s,电沉积循环的扫描电压范围为负0.2V至正1.2V,循环次数为10次。通过以上电化学沉积方法可以在纳米无机金属氧化物涂层表面继续生成聚苯胺涂层。
第三步中所述的有机聚合物涂层选择的有机聚合物为聚吡咯时,电化学沉积方法如下:所用仪器为电化学工作站,采用三电极体系,其中工作电极为沉积了纳米无机金属氧化物涂层的金属基底,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极。使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质为0.1mol/L的氢氧化钠和0.1mol/L~0.5mol/L的吡咯。电位扫描速率为0.01~0.1V/s,电沉积循环的扫描电压范围为负0.5V至正1.2V,循环次数为10次。通过以上电化学沉积方法可以在纳米无机金属氧化物涂层表面继续生成聚吡咯涂层。
本发明的优点在于:
(1)纳米无机金属氧化物涂层为有机聚合物涂层的生长提供了良好的基底,有机聚合物涂层的覆盖避免了纳米无机金属氧化物涂层的破裂,这种复合涂层具有更好的稳定性和防护性。
(2)相比较单独的涂层,复合涂层具有更正的腐蚀电位,其具有更好的防腐性能。
附图说明
图1是实施例1中样品表面沉积二氧化钛涂层的x射线衍射图谱。
图2是实施例1中样品表面沉积聚苯胺涂层的红外光谱谱图。
图3是实施例1的Tafel极化曲线测试结果图。
具体实施方式
下面通过实例对本发明做进一步详细说明,这些实例仅用来说明本发明,并不限制本发明的范围。
本发明提供一种有机/无机复合涂层的制备方法,在金属基底材料表面依次沉积纳米无机金属氧化物涂层和有机聚合物涂层。
实施例1.制备纳米二氧化钛/聚苯胺复合涂层
二氧化钛溶胶的制备过程如下:60mL的钛酸四异丙酯与1mL异丙醇混合,缓慢滴加到100mL乙酸和300mL去离子水的混合液中,滴加过程保持混合液温度为0摄氏度。所得的混合液在不断搅拌的条件下,在70摄氏度反应8个小时。所得白色溶胶转移到聚四氟乙烯反应釜中在180摄氏度的条件下反应24个小时,得到纳米二氧化钛溶胶。
以尺寸为长20mm*宽10mm*厚2mm的316L钢为基底,采用3000目砂纸对钢片基底进行适度打磨,之后在丙酮、乙醇、去离子水中依次各清洗10分钟,干燥。采用浸渍提拉机将样品浸入到纳米二氧化钛溶胶中,浸入及提升速度为2mm/s,浸泡时间为120s,在室温和150摄氏度的环境中先后各干燥30分钟。按照上述沉积过程沉积4层纳米二氧化钛涂层,将样品置于450摄氏度的环境中热处理60分钟,除去涂层中多余的有机物。对样品表面进行XRD表征,结果如附图1所示,与锐钛矿标准图谱一致,表明获得的纳米二氧化钛涂层晶型较好,在25.4°、37.8°、48.1°、62.7°处的峰分别代表晶面(101)、(004)、(200)、(204)。
使用电化学工作站的循环伏安法进行电化学沉积聚苯胺,其中工作电极为沉积了纳米二氧化钛涂层的316L钢,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极。使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质为0.2mol/L的硫酸和0.5mol/L的苯胺。电位扫描速率为0.01V/s,扫描电压范围为负0.2V至正1.2V,循环次数为10次。
通过上述方法可以获得316L钢表面的纳米二氧化钛/聚苯胺涂层,将其作为样品,红外光谱表征表面结果如附图2所示,图中所标注峰与聚苯胺标准峰一致,表明表面生长聚苯胺成功。
通过Tafel极化曲线测试样品的防腐性能。所用仪器为电化学工作站,以样品为工作电极,以铂丝为对电极,以饱和甘汞电极为参比电极,电解质溶液为0.5mol/L的硫酸水溶液,进行腐蚀电位的测试。结果如附图3所示。空白样品为只有316L钢,其腐蚀电位为-371mV;样品/二氧化钛为316L钢表面涂覆了二氧化钛涂层,其腐蚀电位为-240mV,样品/二氧化钛/聚苯胺为316L钢表面涂覆了二氧化钛涂层后继续生长聚苯胺涂层,其腐蚀电位为+245mV。复合涂层的样品其腐蚀电位正向偏移最大,具有较好的防腐效果。
实施例2.制备纳米氧化锌/聚吡咯复合涂层
氧化锌溶胶制备过程如下:首先配置溶剂为水和乙醇、溶质为乙酸锌和聚乙二醇400的溶液,溶液总体积为500mL,水和乙醇的体积比为1:1,乙酸锌在最终溶液中的浓度为2mol/L,聚乙二醇400在最终溶液中的质量分数为2%,在充分搅拌的条件下,逐渐添加氨水使锌离子先形成Zn(OH)2沉淀再逐步溶解为纳米级的Zn(OH)4 2-溶胶。使用pH试纸测定溶胶pH为10~11时停止添加氨水,溶胶制备完成。
以尺寸为长20mm*宽10mm*厚2mm的316L钢为基底,采用3000目砂纸对钢片进行适度打磨,之后在丙酮、乙醇、去离子水中依次各清洗10分钟,干燥。采用浸渍提拉机将样品浸入到Zn(OH)4 2-溶胶中,浸入及提升速度为2mm/s,浸泡时间为120s,在室温和150摄氏度的环境中先后各干燥30分钟。按照上述沉积过程沉积4层纳米氧化锌涂层,将样品置于400摄氏度的环境中热处理60分钟,除去涂层中多余的有机物,获得纳米氧化锌涂层。
使用电化学工作站的循环伏安法进行电化学沉积聚吡咯,其中工作电极为沉积了纳米氧化锌的金属样品,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极。使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质为0.1mol/L的氢氧化钠和0.5mol/L的吡咯。电位扫描速率为0.01V/s,电沉积循环的扫描电压范围为负0.5V至正1.2V,循环次数为10次。
通过Tafel极化曲线测试样品的防腐性能。所用仪器为电化学工作站,以样品为工作电极,以铂丝为对电极,以饱和甘汞电极为参比电极,电解质溶液为0.5mol/L的硫酸水溶液,进行腐蚀电位的测试。含有纳米氧化锌/聚吡咯复合涂层的样品腐蚀电位为+221mV,具有较好的防电化学腐蚀效果。
实施例3.制备纳米二氧化钛/聚吡咯复合涂层
二氧化钛溶胶的制备过程如下:30mL的钛酸四异丙酯与1mL异丙醇混合,缓慢滴加到80mL乙酸和240mL去离子水的混合液中,滴加过程保持乙酸和去离子水混合液温度的为0摄氏度。所得的混合液在不断搅拌的条件下,在90摄氏度反应8个小时。所得白色溶胶转移到聚四氟乙烯反应釜中在230摄氏度的条件下反应24个小时,得到纳米二氧化钛溶胶。
以尺寸为长20mm*宽10mm*厚2mm的316L钢为基底,采用3000目砂纸对钢片基底进行适度打磨,之后在丙酮、乙醇、去离子水中依次各清洗10分钟,干燥。采用浸渍提拉机将样品浸入到纳米二氧化钛溶胶中,浸入及提升速度为2mm/s,浸泡时间为120s,在室温和150摄氏度的环境中先后各干燥30分钟。按照上述沉积过程沉积4层纳米二氧化钛涂层,将样品置于450摄氏度的环境中热处理60分钟,除去涂层中多余的有机物。
使用电化学工作站的循环伏安法进行电化学沉积聚吡咯,其中工作电极为沉积了纳米二氧化钛的金属样品,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极。使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质为0.1mol/L的氢氧化钠和0.1mol/L的吡咯,电位扫描速率为0.1V/s,电沉积循环的扫描电压范围为负0.5V至正1.2V,循环次数为10次。
通过Tafel极化曲线测试样品的防腐性能。所用仪器为电化学工作站,以样品为工作电极,以铂丝为对电极,以饱和甘汞电极为参比电极,电解质溶液为0.5mol/L的硫酸水溶液,进行腐蚀电位的测试。含有制备纳米二氧化钛/聚吡咯复合涂层的样品腐蚀电位为+103mV,具有较好的防电化学腐蚀效果。
实施例4.制备纳米氧化锌/聚苯胺复合涂层
氧化锌溶胶制备过程如下:首先配置溶剂为水和乙醇、溶质为乙酸锌和聚乙二醇400的溶液,溶液总体积为500mL,水和乙醇的体积比为1:1,乙酸锌在最终溶液中的浓度为0.5mol/L,聚乙二醇400在最终溶液中的质量分数为2%,在充分搅拌的条件下,逐渐添加氨水使锌离子先形成Zn(OH)2沉淀再逐步溶解为纳米级的Zn(OH)4 2-溶胶。使用pH试纸测定溶胶pH为10~11时停止添加氨水,溶胶制备完成。
以尺寸为长20mm*宽10mm*厚2mm的316L钢为基底,采用3000目砂纸对钢片进行适度打磨,之后在丙酮、乙醇、去离子水中依次各清洗10分钟,干燥。采用浸渍提拉机将样品浸入到Zn(OH)4 2-溶胶中,浸入及提升速度为2mm/s,浸泡时间为120s,在室温和150摄氏度的环境中先后各干燥30分钟。按照上述沉积过程沉积4层纳米氧化锌涂层,将样品置于400摄氏度的环境中热处理60分钟,除去涂层中多余的有机物,获得纳米氧化锌涂层。
使用电化学工作站的循环伏安法进行电化学沉积聚苯胺,其中工作电极为沉积了氧化锌涂层的316L钢,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极。使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质为0.2mol/L的硫酸和0.1mol/L的苯胺。电位扫描速率为0.1V/s,扫描电压范围为负0.2V至正1.2V,循环次数为10次。
通过Tafel极化曲线测试样品的防腐性能。所用仪器为电化学工作站,以样品为工作电极,以铂丝为对电极,以饱和甘汞电极为参比电极,电解质溶液为0.5mol/L的硫酸水溶液,进行腐蚀电位的测试。含有制备纳米氧化锌/聚苯胺复合涂层的样品腐蚀电位为+98mV,具有较好的防电化学腐蚀效果。

Claims (6)

1.一种有机/无机复合涂层的制备方法,其特征是,包括以下步骤:
第一步,金属基底预处理;
第二步,在预处理后的金属基底上制备纳米无机金属氧化物涂层:先制备纳米无机金属氧化物溶胶,再通过浸渍提拉法在预处理后的金属基底表面形成纳米无机金属氧化物涂层;
所述的纳米无机金属氧化物溶胶为纳米二氧化钛溶胶时,其制备过程为:首先将30~60mL的钛酸四异丙酯与1mL异丙醇混合后的液体滴加到乙酸和去离子水的混合液中,滴加过程保持乙酸和去离子水的混合液的温度为0摄氏度;滴加完成后,在不断搅拌的条件下,在70~90摄氏度下反应8个小时,得到白色溶胶;最后将所述白色溶胶转移到聚四氟乙烯反应釜中在180~230摄氏度的条件下反应24个小时,得到纳米二氧化钛溶胶;
纳米无机金属氧化物溶胶为纳米氧化锌溶胶时,其制备过程是:首先配置溶剂为水和乙醇、溶质为乙酸锌和聚乙二醇400的溶液;然后在充分搅拌的条件下,逐渐向所述的溶液中添加氨水使锌离子先形成Zn(OH)2沉淀再逐步溶解为纳米级的Zn(OH)4 2-溶胶;最后使用pH试纸测定溶胶pH为10~11时停止添加氨水,溶胶制备完成;
所述的浸渍提拉法,浸入及提升速度均为2mm/s,浸泡时间为120s;之后干燥,获得一层纳米无机金属氧化物涂层;重复上述浸渍提拉过程获得多层的纳米无机金属氧化物涂层;
第三步:将第二步得到的涂覆有纳米无机金属氧化物涂层的金属基底进行热处理;之后通过电化学沉积方法在纳米无机金属氧化物涂层表面继续沉积有机聚合物涂层;从而得到有机/无机复合涂层;所述的有机聚合物涂层选择有机物为聚苯胺或者聚吡咯。
2.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合涂层的制备方法,其特征在于:第二步中纳米无机金属氧化物溶胶中,纳米无机金属氧化物选择尺寸为10nm~50nm的纳米二氧化钛或者氧化锌。
3.根据权利要求1中所述的一种有机/无机复合涂层的制备方法,其特征在于:所述的乙酸和去离子水的混合液中乙酸的体积为80~100mL,乙酸和水的体积比为1:3。
4.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合涂层的制备方法,其特征在于:所述溶液中水和乙醇的体积比为1:1,乙酸锌的浓度范围为0.5~2mol/L,聚乙二醇400的的质量分数为2%。
5.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合涂层的制备方法,其特征在于:第三步中有机聚合物涂层选择的有机聚合物为聚苯胺时,其涂层的制备过程是:采用电化学工作站的循环伏安法进行电化学沉积,其中工作电极为沉积了无机涂层金属板基底,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极;使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质为0.2mol/L的硫酸和0.1mol/L~0.5mol/L的苯胺;电位扫描速率为0.01~0.1V/s,电沉积循环的扫描电压范围为负0.2V至正1.2V,循环次数为10次。
6.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合涂层的制备方法,其特征在于:第三步中有机聚合物涂层选择的有机聚合物为聚吡咯时,其涂层制备过程是:使用电化学工作站的循环伏安法进行电化学沉积,其中工作电极为沉积了无机涂层的金属基底,对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极;使用的电解质溶液中,溶剂为水,溶质中NaOH浓度为0.1mol/L,吡咯浓度为0.1mol/L~0.5mol/L;电位扫描速率为0.01~0.1V/s,扫描电压范围为负0.5V至正1.2V,循环次数为10次。
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