CN107604419A - 一种基于聚多巴胺表面改性的镍基碳纳米管复合镀层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于聚多巴胺表面改性的镍基碳纳米管复合镀层的制备方法，其特征是：以纯镍作为底层，工作层为镍基/碳纳米管‑聚多巴胺镀层；步骤包括：（1）试样表面预处理：对试样表面打磨，用酒精清洗干燥；（2）在极性正接条件下，用电净液除油电净；（3）在极性反接条件下，用活化液2号活化；（4）在极性反接条件下，用再活化液3号活化；（5）在极性正接条件下，用特殊镍溶液镀打底层；（6）在极性正接条件下，用复合镀液镀工作层。本发明具有工艺简单可靠的特点，能够获得性能稳定均匀、耐磨损、耐腐蚀的镀层，可以满足大部分要求高耐磨性和高耐腐蚀性零部件的需要。
Description
技术领域
本发明属于材料表面工程技术领域，是一种基于聚多巴胺表面改性的镍基碳纳米管复合镀层的制备方法。
技术背景
在上世纪初，研究人员就已经用电沉积技术制备出纯镍镀层，该技术至今仍旧是应用最为广泛的表面处理技术。相比于其他表面处理方式，电沉积技术具有如操作简便、成本较低、参数可控、所得镀层综合性能优良等一系列显著优势，因而被广泛用于金属镀层的制备。多种金属、合金及复合镀层都可以通过电沉积的方法获得，如电沉积镍可有效改善零部件的表面质量、延长使用寿命、赋予装饰性等优点。此外，电沉积镍基合金还可获得许多有特殊功能的镀层，如耐高温镀层，高硬度耐磨镀层、耐蚀镀层，拥有良好催化性的镀层和磁性镀层等，弥补单一金属在应用于某些特殊需求时的不足。纳米复合电沉积技术，是采用常规电沉积的方法，将纳米固体颗粒加入到电镀液中，借助电场作用促使纳米材料与基质金属共沉积从而得到复合镀层。由于添加的纳米材料对镀层的强化作用，复合镀层的性能相较于纯金属镀层往往更加优异。
碳纳米管于1991年被发现后就迅速成为物理、化学和材料科学等领域的研究热点，它是一种无缝中空管体，由碳原子形成的石墨烯片层卷曲形成。大量研究证明，碳纳米管具有优异的力学、电学、物理化学等性能，其强度大约是钢的100倍，而密度只有钢的1/6，并具有很好的柔韧性，被称为超级纤维，因此碳纳米管广泛地被用作增强相以提高复合材料的力学性能。然而碳纳米管独特的一维结构造成其在溶液中极易发生团聚，并且光滑的表面很难与基体发生有效结合，严重影响镀层的综合性能。研究人员试图对碳纳米管进行表面改性，改善其在溶液中的分散性和与基质金属复合的能力。主要的碳纳米管表面修饰方法可分为非共价修饰和共价修饰，非共价修饰包括：机械研磨法、超声震荡法等；共价修饰包括氧化法、化学修饰法等，非共价修饰法操作简单，但是修饰效果较差；共价修饰则明显提高碳纳米管活性，但碳纳米管结构遭到破坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于聚多巴胺表面改性的镍基碳纳米管复合镀层的制备方法，借助经聚多巴胺表面改性处理的碳纳米管的优异性能，改善镍基镀层的功能特性。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种基于聚多巴胺表面改性的镍基碳纳米管复合镀层的制备方法，其特征是：以纯镍作为底层，工作层为镍基/碳纳米管-聚多巴胺（Ni/CNTs@PDA）镀层；工艺步骤包括：（1）试样表面预处理：对试样表面打磨，用酒精清洗干燥；（2）在极性正接条件下，用电净液除油电净；（3）在极性反接条件下，用活化液2号活化；（4）在极性反接条件下，用再活化液3号活化；（5）在极性正接条件下，用特殊镍溶液镀打底层；（6）在极性正接条件下，用复合镀液镀工作层。
本发明所述的电净液、活化液2号、活化液3号、特殊镍溶液、快速镍溶液均为武汉材料保护研究所提供市售产品。
所述的复合镀液的制备方法为：（1）制备碳纳米管-聚多巴胺：称取碳纳米管加入蒸馏水中，磁力搅拌，随后超声波震荡，然后将该溶液配置成Tris浓度为10mmol/L，用盐酸调节溶液pH值至8.5。加入多巴胺，将该混合物在室温下恒温搅拌处理6h~24h，多巴胺在弱碱性环境下会自发在碳纳米管表面沉积一层聚多巴胺，最后抽滤得到聚多巴胺包裹的碳纳米管，用清水冲洗过滤多余未粘附的多巴胺，真空干燥，得到碳纳米管-聚多巴胺；（2）向常规快速镍溶液中加入碳纳米管-聚多巴胺；（3）超声震荡；（4）得到复合镀液。
本发明的关键在于采用经聚多巴胺表面改性处理的碳纳米管配制复合镀液，制备镍基/碳纳米管-聚多巴胺复合镀层。碳纳米管经表面改性处理后，其在溶液中的分散性得到极大提升，从而在镀层中能够均匀分布，起到弥散强化作用。作为添加材料的碳纳米管一般选用多壁碳纳米管，碳纳米管经聚多巴胺改性处理的时间在6h~24h之间。
本发明方法制备的复合镀层，根据球盘式摩擦磨损试验机在室温干摩擦条件下进行的摩擦磨损实验结果显示，其摩擦系数相较于摩擦系数为0.65的单一镍基镀层没有明显变化；采用经聚多巴胺改性处理6h的碳纳米管制备出的镍基/碳纳米管-聚多巴胺复合镀层，其磨损质量和腐蚀电流密度约为单一镍基镀层的1/12和1/15，耐磨损和耐腐蚀性能有了显著提高。
本发明采用聚多巴胺对碳纳米管进行表面改性处理，该方法简单、操作方便，可有效提高碳纳米管的亲水性，改善其在水溶液中分散性能。性能检测表明，采用经聚多巴胺改性处理的碳纳米管制备出的镍基/碳纳米管-聚多巴胺复合镀层具有优异的耐磨损和耐腐蚀性能。
与现有技术相比，本发明具有工艺简单可靠的特点，能够获得性能稳定均匀、耐磨损、耐腐蚀的镀层，可以满足大部分要求高耐磨性和高耐腐蚀性零部件的需要。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案的实施细节以及本发明制备出的镀层具备的优异性能。
本发明所述的电净液、活化液2号、活化液3号、特殊镍溶液、快速镍溶液均购于武汉材料保护研究所。
实施例。
本实施例所述镍基/碳纳米管-聚多巴胺复合镀层按以下步骤制备。
（1）原料与配方：①碳纳米管-聚多巴胺；②电净液；③活化液2号；④活化液3号；⑤特殊镍溶液；⑥快速镍溶液。
（2）制备复合镀液：称取500mg 碳纳米管加入500ml蒸馏水中，磁力搅拌10min，随后超声波震荡30min，然后将该溶液配置成Tris浓度为10mmol/l，用盐酸调节溶液pH至8.5。加入1000mg多巴胺，将该混合物在室温下恒温搅拌处理6h，弱碱性环境下会自发在碳纳米管表面粘附包裹一层聚多巴胺，最后抽滤得到聚多巴胺包裹的碳纳米管，用清水冲洗、过滤多余未粘附的多巴胺，50℃真空干燥10h，得到碳纳米管-聚多巴胺，向常规快速镍溶液中加入2g/L的碳纳米管-聚多巴胺，超声震荡30min，得到复合镀液。
（3）工艺步骤：（1）工件表面预处理：对试样表面进行打磨，用酒精清洗干燥；（2）在极性正接的条件下采用电净液除油，电流密度5 A/dm2，时间60s；（3）在极性反接的条件下采用活化液2号活化，电流密度6 A/dm2，时间90s；（4）在极性反接的条件下采用活化液3号活化，电流密度5 A/dm2，时间60s；（5）在极性正接的条件下采用特殊镍液溶液镀打底层，电流密度8A/dm2，电量15A·min；（6）在极性正接的条件下采用复合镀液镀工作层，电流密度8A/dm2，电量60A·min。
（4）性能测试：采用扫描电子显微镜、球盘式摩擦磨损试验机、电化学工作站对镀层进行检测分析。在场发射扫描电子显微镜下可以看出，复合镀层表面致密，颗粒细小紧凑。镀层表面根据球盘式摩擦磨损试验机在室温干摩擦条件下进行的摩擦磨损实验结果显示，其摩擦系数相较于摩擦系数为0.65的单一镍基镀层没有明显变化；采用经聚多巴胺改性处理6h的碳纳米管制备出的镍基/碳纳米管-聚多巴胺复合镀层，其磨损质量和腐蚀电流密度约为单一镍基镀层的1/12和1/15，耐磨损和耐腐蚀性能有了显著提高。
以上所述仅是本发明的一种实施方式，且描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应都属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于聚多巴胺表面改性的镍基碳纳米管复合镀层的制备方法，其特征是：以纯镍作为底层，工作层为镍基/碳纳米管-聚多巴胺镀层；步骤包括：
（1）试样表面预处理：对试样表面打磨，用酒精清洗干燥；
（2）在极性正接条件下，用电净液除油电净；
（3）在极性反接条件下，用活化液2号活化；
（4）在极性反接条件下，用再活化液3号活化；
（5）在极性正接条件下，用特殊镍溶液镀打底层；
（6）在极性正接条件下，用复合镀液镀工作层；
所述的复合镀液的制备方法：（1）制备碳纳米管-聚多巴胺：称取碳纳米管加入蒸馏水中，磁力搅拌，随后超声波震荡，然后将该溶液配置成Tris浓度为10mmol/L，用盐酸调节溶液pH值至8.5；加入多巴胺，将该混合物在室温下恒温搅拌处理6h~24h，最后抽滤，用清水冲洗，真空干燥，得到碳纳米管-聚多巴胺；（2）向快速镍溶液中加入碳纳米管-聚多巴胺；（3）超声震荡，得到复合镀液。
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