CN110424029A - 一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料表面工程技术领域，公开了一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层及其制备方法和应用，所述的超疏水镀层是先将待镀工件进行喷砂处理，再用侵蚀液进行化学侵蚀处理，洗净，吹干，得到预处理工件；将金属镍或/和钴盐、长直链烷酸和乙醇超声混合，配制基础电镀液；以钴、镍或钴镍合金为阳极，预处理工件为阴极，在基础电镀液中进行电镀，电镀后将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，在金属表面制得。本发明制备超疏水镀层所需基础电镀液成分简单、环保且配制方便，电镀过程简单高效、重复性好、易实现大面积生产。所制备超疏水涂层的接触角在152°～157°范围，具有很好的耐蚀、自清洁性能，在机械零件防腐抗污领域具有良好的应用前景。

Description

一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料表面工程技术领域，涉及一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层及其制备方法和应用。
背景技术
金属材料是当今应用最多的工程材料，金属零部件在服役环境中常常受到腐蚀与污染，导致材料的大量消耗和工程事故的发生。通过对金属材料表面进行处理，赋予其优异的耐蚀、自清洁等性能可有效解决金属材料易受腐蚀和污染的问题，延长工件使用寿命。众所周知，许多自然存在的生物表面，包括荷叶和沙漠甲虫等，具有超疏水特性，即其静态接触角大于150°，接触角滞后小于10°。由于超疏水表面具有较低的表面张力，污染物在超疏水表面不易粘着，使得超疏水表面具有自清洁功能。此外，超疏水表面易于捕捉空气，隔绝了腐蚀液与金属表面的接触，提高了金属的耐蚀性能。由此可见，通过在金属表面制备具有微纳结构的超疏水表面可赋予其耐蚀、自清洁性能。目前超疏水的制备方法有许多，比如：水热法、阳极氧化、电沉积、化学刻蚀和微弧氧化等。然而，这些制备方法大多存在工艺复杂、生产周期长、需要先制备微纳结构后再进行低表面能物质改性；此外，所用含氟低表面能物质对环境和身体健康存在威胁。基于此，本发明提供一种简单、高效且环保制备金属表面超疏水镀层的简易制备方法，所制备涂层具有优异的超疏水、自清洁和耐蚀性能，在机械零件防腐抗污领域具有良好的应用前景。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的目的在于提供一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层。该超疏水镀层与基体结合强度高，重复性好，涂层表现出优异的超疏水(接触角在152～157°)、自清洁和耐蚀性能。
本发明另一目的在于提供上述金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层制备方法。该方法简单、反应条件温和、可大面积制备，高效经济且绿色环保。
本发明再一目的在于提供上述金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层，所述的超疏水镀层是先将待镀工件进行喷砂处理，再用侵蚀液进行化学侵蚀处理，洗净，吹干，得到预处理工件；将镍盐或/和钴盐、长直链烷酸和无水乙醇超声混合，配制基础电镀液；以钴、镍或钴镍合金为阳极，预处理工件为阴极，在基础电镀液中进行电镀，电镀后将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，在金属表面制得。
优选地，所述待镀工件为铜、钢、钛、铝或其合金导电金属；所述喷砂处理后待镀工件的表面粗糙度为Ra＝4.5～5.5μm。
优选地，所述侵蚀液包括200～250g/L的硫酸和2～4g/L的硫脲。
优选地，所述侵蚀处理的时间为15～25min，所述侵蚀处理的温度为30～60℃。
优选地，所述基础电镀液按无水乙醇和各物质总体积1L计，包括0.05～0.2mol/L的镍盐或/和钴盐和0.05～0.2mol/L的长直链烷酸。
更为优选地，所述镍盐为硝酸镍或氯化镍；所述钴盐为氯化钴；所述长直链烷酸为十四烷酸或十八烷酸。
所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的制备方法，包含以下具体步骤：
S1.将待镀工件进行喷砂处理，然后进行化学侵蚀处理，最后用去离子水清洗干净，吹干，得到预处理工件；
S2.将金属镍或/和钴盐、长直链烷酸和无水乙醇混合，充分超声震动均匀，制得基础电镀液；
S3.以钴、镍或钴镍合金为阳极，预处理工件为阴极，在基础电镀液中进行电沉积，电镀后用乙醇和去离子水将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，即可在金属表面制得具有耐蚀自清洁超疏水镀层。
优选地，步骤S2所述超声的功率为50～100W，所述超声的时间为30～90min。
优选地，步骤S3所述阳极和阳极的间距为2～5cm；阳极为与待镀工件尺寸相同的钴、镍或钴镍合金；所述电沉积参数为：磁力搅拌速度为0～200rpm，沉积温度30～50℃，沉积时间5～30min，沉积电流密度5～30mA/cm2。
所述的金属表面耐蚀自清洁超疏水镀层在机械零件防腐抗污领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所制备的金属表面耐蚀自清洁超疏水镀层均匀覆盖在金属基体表面。将待镀工件进行喷砂处理，然后进行化学侵蚀处理，提高了镀层与金属基体的结合强度。
2.本发明只需一步法即可在多种金属表面上制备耐蚀自清洁超疏水镀层，所需的基础电镀液成分简单、环保且配制方便。电镀过程简单高效、重复性好、易实现大面积生产。
3.本发明所制备的金属表面耐蚀自清洁超疏水镀层具有优异的超疏水、自清洁和耐蚀性能。通过一步法在阴极待镀工件上沉积镍或/和钴、长直链烷酸，使得镀层具备超疏水两个决定性因素：低表面能的化学成分和表面微纳米结构。所制备的超疏水镀层表现出优异的自清洁和耐蚀性能，在机械零件防腐抗污领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层样品实物照片；
图2为实施例1制备的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的SEM照片；
图3为实施例1制备的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的接触角；
图4为实施例1制备的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的自清洁效果图；
图5为实施例1制备的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的电化学极化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.工件前处理：以不锈钢为待镀工件进行喷砂处理，然后进行化学侵蚀处理，最后用去离子水清洗干净，吹干，得到经过处理的工件；化学侵蚀液成分：硫酸200g/L，硫脲3g/L；化学侵蚀时间20min，侵蚀温度60℃；
2.配制基础电镀液：将硝酸镍、十四烷酸和无水乙醇添加到容器中，在功率为100W的超声振动器中震动30min，制得均匀基础电镀液；该电镀液中硝酸镍的浓度为0.05mol/L、十四烷酸的浓度为0.05mol/L(按无水乙醇和各物质总体积1L计)。
3.电镀：以镍片为阳极，经过处理的工件为阴极，在基础电镀液中进行电镀，电极之间距离为2cm，电沉积的具体参数：磁力搅拌速度100rpm，沉积温度30℃，沉积时间20min，沉积电流密度10mA/cm2。电镀后利用乙醇和去离子水将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，即可在金属表面制得具有耐蚀自清洁超疏水镀层。
图1为本实例所得金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的实物照片，从图1中可以看出涂层表面十分均匀。图2是金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的SEM照片，从图2中可以明显看到镀层表面具有微纳结构。图3为金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的静态接触角，静态接触角达到154°，说明所得镀层具有优异的超疏水性能。图4为金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层自清洁前后效果图，从滴水前后，可以看出镀层具有优异的自清洁性能。图5为金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的电化学极化曲线图，将电镀前后的工件浸泡在3.5wt.％NaCl溶液1个小时后进行电化学测试，由两者的极化曲线，可以看出超疏水镀层具有较高的自腐蚀电位和较低的自腐蚀电流密度，说明该超疏水镀层可以有效提高金属基体的耐蚀性能。
实施例2
1.工件前处理：以铝合金为待镀工件进行喷砂处理，然后进行化学侵蚀处理，最后用去离子水清洗干净，吹干，得到经过处理的工件；化学侵蚀液成分：硫酸250g/L，硫脲4g/L；化学侵蚀时间20min，侵蚀温度50℃；
2.配制基础电镀液：将氯化钴、十八烷酸和乙醇溶剂添加到容器中，在功率为50W的超声振动器中震动60min制得均匀基础电镀液；该电镀液中氯化钴的浓度为0.2mol/L、十八烷酸的浓度为0.2mol/L(按无水乙醇和各物质总体积1L计)。
3.电镀：以钴片为阳极，经过处理的工件为阴极，在步骤2配制的基础电镀液中进行电镀，电极之间距离为1.5cm，电沉积的具体参数：磁力搅拌速度100rpm，沉积温度30℃，沉积时间10min，沉积电流密度15mA/cm2。电镀后利用乙醇和去离子水将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，即可在金属表面制得具有耐蚀自清洁超疏水镀层。
实施例3
1.工件前处理：以不锈钢为待镀工件进行喷砂处理，然后进行化学侵蚀处理，最后用去离子水清洗干净，吹干，得到经过处理的工件；化学侵蚀液成分：硫酸200g/L，硫脲3g/L；化学侵蚀时间30min，侵蚀温度60℃；
2.配制基础电镀液：将氯化镍、氯化钴、十八烷酸和无水乙醇添加到容器中，在功率为80W的超声振动器中震动60min制得均匀基础电镀液；该电镀液包括浓度为0.1mol/L的氯化镍、浓度为0.1mol/L的氯化钴、浓度为0.2mol/L十八烷酸(按无水乙醇和各物质总体积1L计)；
3.电镀：以钴镍合金为阳极，经过处理的工件为阴极，在步骤2配制的基础电镀液中进行电镀，电极之间距离为2cm，电沉积的具体参数：磁力搅拌速度200rpm，沉积温度40℃，沉积时间30min，沉积电流密度5mA/cm2。电镀后利用乙醇和去离子水将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，即可在金属表面制得具有耐蚀自清洁超疏水镀层。
实施例4
1.工件前处理：以黄铜为待镀工件进行喷砂处理，然后进行化学侵蚀处理，最后用去离子水清洗干净，吹干，得到经过处理的工件；化学侵蚀液成分：硫酸250g/L，硫脲4g/L；化学侵蚀时间25min，侵蚀温度60℃；
2.配制基础电镀液：将氯化钴、十四烷酸和乙醇溶剂添加到容器中，在功率为100W的超声振动器中震动50min制得均匀基础电镀液；该电镀液中氯化钴的浓度为0.05mol/L、十四烷酸的浓度为0.05mol/L(按无水乙醇和各物质总体积1L计)；
3.电镀：以钴片为阳极，经过处理的工件为阴极，在步骤2配制的基础电镀液中进行电镀，电极之间距离为5cm，电沉积的具体参数：磁力搅拌速度150rpm，沉积温度40℃，沉积时间10min，沉积电流密度30mA/cm2。电镀后利用乙醇和去离子水将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，即可在金属表面制得具有耐蚀自清洁超疏水镀层。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层，其特征在于，所述的超疏水镀层是先将待镀工件进行喷砂处理，再用侵蚀液进行化学侵蚀处理，洗净，吹干，得到预处理工件；将镍盐或/和钴盐、长直链烷酸和无水乙醇超声混合，配制基础电镀液；以钴、镍或钴镍合金为阳极，预处理工件为阴极，在基础电镀液中进行电镀，电镀后将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，在金属表面制得。
2.根据权利要求1所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层，其特征在于，所述待镀工件为铜、钢、钛、铝或其合金导电金属；所述喷砂处理后待镀工件的表面粗糙度为Ra＝4.5～5.5μm。
3.根据权利要求1所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层，其特征在于，所述侵蚀液包括200～250g/L的硫酸和2～4g/L的硫脲。
4.根据权利要求1所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层，其特征在于，所述侵蚀处理的时间为15～25min，所述侵蚀处理的温度为30～60℃。
5.根据权利要求1所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层，其特征在于，所述基础电镀液按无水乙醇和各物质总体积1L计，包括0.05～0.2mol/L的镍盐或/和钴盐和0.05～0.2mol/L的长直链烷酸。
6.根据权利要求5所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层，其特征在于，所述镍盐为硝酸镍或氯化镍；所述钴盐为氯化钴；所述长直链烷酸为十四烷酸或十八烷酸。
7.根据权利要求1-6任一项所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的制备方法，其特征在于，包含以下具体步骤：
S1.将待镀工件进行喷砂处理，然后进行化学侵蚀处理，最后用去离子水清洗干净，吹干，得到预处理工件；
S2.将金属镍或/和钴盐、长直链烷酸和无水乙醇混合，充分超声震动均匀，制得基础电镀液；
S3.以钴、镍或钴镍合金为阳极，预处理工件为阴极，在基础电镀液中进行电沉积，电镀后用乙醇和去离子水将作为阴极的已镀工件清洗并吹干，即可在金属表面制得具有耐蚀自清洁超疏水镀层。
8.根据权利要求7所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的制备方法，其特征在于，步骤S2所述超声的功率为50～100W，所述超声的时间为30～90min。
9.根据权利要求7所述的金属表面耐蚀自清洁的超疏水镀层的制备方法，其特征在于，步骤S3所述阳极和阳极的间距为2～5cm；阳极为与待镀工件尺寸相同的钴、镍或钴镍合金；所述电沉积参数为：磁力搅拌速度为0～200rpm，沉积温度30～50℃，沉积时间5～30min，沉积电流密度5～30mA/cm2。
10.权利要求1～6任一项所述的金属表面耐蚀自清洁超的疏水镀层在机械零件防腐抗污领域中的应用。
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