CN110629265B - 一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能材料技术领域，涉及一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法。本发明提出的一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法具体为采用电沉积方法制备超疏水结构。一方面利用亚麻酸对低碳钢的蚀刻；另一方面利用改性氧化石墨烯在低碳钢表面强的吸附力，从而形成高阻挡性能的膜层，来构筑超疏水表面；同时，通过在低碳钢表面沉积得到二氧化铈自修复膜层，使得超疏水低碳钢具有优良的耐蚀性，缓蚀效率达95%以上，具有广泛的工业应用前景。

Description

一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法。
背景技术
低碳钢作为一种通用金属材料，被广泛应用于化工、电工、电力、航海、兵器等军工和民用部门，制作热交换设备、容器、阀门、泵、涡轮、轴等机械和部件。然而暴露于腐蚀性介质中以及潮湿空气中时，会发生严重的腐蚀。
近年来，受“荷叶效应”的启发，与水滴接触角大于150°的超疏水表面由于其强大的疏水特性使得水分子以及腐蚀性离子难以渗入超疏水表面内部，从而显著提高金属材料的耐蚀性能。
另一方面，CeO2因其突出的化学稳定性、耐蚀性和自修复特性，是目前国内外公认的具有优良耐蚀性能的高毒性Cr(VI) 转化膜的主要替代品，因而在金属材料的防护领域具有潜在的广阔应用前景。
目前，常用硬脂酸对金属材料的蚀刻作用在金属材料表面构筑超疏水结构，然而此超疏水结构寿命较短，长期浸泡于腐蚀性介质中易被破坏。而目前报道的超疏水表面制备方法要么需要苛刻的设备，要么制备时间太长。
因此，研制一种简单高效且长寿命的超疏水低碳钢的制备方法具有重要经济意义和社会意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种快速且长寿命的超疏水低碳钢的制备方法，该方法构筑的超疏水结构稳定，尤其适用于低碳钢在1 M HCl溶液腐蚀介质中的防护。
本发明提出一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，该制备方法包含以下三个步骤：
第一步，低碳钢预处理：
低碳钢首先分别经60目、120目、320目、600目及1200目砂纸打磨，以除去表面的杂质、氧化物，再用无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟，除去有机物，然后经N2吹干备用；
第二步：电解液配制：
分别取3个体积为100 mL的烧杯，其中一个烧杯中将硝酸铈溶解于去离子水；第二个烧杯中将亚麻酸溶解于无水乙醇中；第三个烧杯中将烷基化改性氧化石墨烯溶解于去离子水，并超声分散1小时至溶液均匀透明，然后将这三个烧杯中的液体混合，磁力搅拌半个小时，再超声分散2小时至混合溶液均匀透明；
第三步，电沉积制备超疏水结构：
采用ZF-9恒电位仪进行恒电压电沉积，将经处理的低碳钢作为工作电极浸泡于上述电解液中，以大面积铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，设置电沉积电压值为2- 5 V，电沉积时间为4 - 12h，电沉积过程中将电沉积装置置入恒温水浴锅中，设置温度为30-50℃，得到具有自修复特性的超疏水低碳钢表面。
本发明一方面利用亚麻酸对低碳钢的蚀刻；另一方面利用改性氧化石墨烯在低碳钢表面强的吸附力，从而形成高阻挡性能的膜层，来构筑超疏水表面；同时，通过在低碳钢表面沉积得到二氧化铈自修复膜层，使得超疏水低碳钢具有优良的耐蚀性。制备工艺简单、重现性好、无需任务昂贵的设备，具有广泛的工业应用前景。
优选的是，所述混合溶液中各化学物质的质量分数分别为：烷基化改性氧化石墨烯15% - 20%、亚麻酸15% - 20%、硝酸铈10% - 20%、无水乙醇20% - 30%、去离子水20% -40%，各组份百分含量之和为100%
在上述任一方案中优选的是，所述亚麻酸以及硝酸铈均为分析纯化学试剂。
本发明具有以下优点：
1. 本发明提供一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，可显著提高其在1 M HCl溶液腐蚀介质的耐蚀性能；
2. 本发明提供一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，其中电解液采用亚麻酸和烷基化改性氧化石墨烯，得到的膜层超疏水性能更优；
3. 本发明提供一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，施加电压较低，可有效降低能耗；
4. 本发明提供一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，电沉积时间较短，在2 V电压时仅需6小时可构筑超疏水表面；
5. 本发明提供一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，二氧化铈自修复膜的形成使超疏水膜寿命更长；
6. 本发明提供一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，不仅具有超疏水结构，而且具有优异的耐蚀性能，在1 M HCl溶液腐蚀介质中对低碳钢具有优异的保护效果；
7. 本发明提供一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，其中制备方法简单，能耗低，电解液配方无毒无污染，可进行大规模工业应用。
附图说明
图1为未经处理的低碳钢的接触角。
图2为超疏水改性低碳钢的接触角。
图3为未经处理的低碳钢在1 M HCl溶液腐蚀介质中的极化曲线测试结果。
图4为超疏水改性低碳钢在1 M HCl溶液腐蚀介质中的曲线测试结果。
图5为未经处理的低碳钢在1 M HCl溶液腐蚀介质中的电化学阻抗测试结果。
图6为超疏水改性低碳钢在1 M HCl溶液腐蚀介质中的电化学阻抗测试结果。
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。下面结合说明书附图对本发明具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法的具体实施方式作进一步的说明。
实施例1：
本发明提出一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，该制备方法包含以下步骤：
第一步，低碳钢预处理：
低碳钢首先分别经60目、120目、320目、600目及1200目砂纸打磨，以除去表面的杂质、氧化物，再用无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟，除去有机物，然后经N2吹干备用；
第二步：电解液配制：
分别取3个体积为100 mL的烧杯，其中一个烧杯中将硝酸铈溶解于去离子水；第二个烧杯中将亚麻酸溶解于无水乙醇中；第三个烧杯中将烷基化改性氧化石墨烯溶解于去离子水，并超声分散1小时至溶液均匀透明，然后将这三个烧杯中的液体混合，磁力搅拌半个小时，再超声分散2小时至混合溶液均匀透明；
第三步，电沉积制备超疏水结构：
采用ZF-9恒电位仪进行恒电压电沉积，将经处理的低碳钢作为工作电极浸泡于上述电解液中，以大面积铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，设置电沉积电压值为5V，电沉积时间为4h，电沉积过程中将电沉积装置置入恒温水浴锅中，设置温度为50℃，得到具有自修复特性的超疏水低碳钢表面。
电解液配方由烷基化改性氧化石墨烯、亚麻酸、硝酸铈、无水乙醇和去离子水组成，其质量分数分别为：烷基化改性氧化石墨烯15%、亚麻酸15%、硝酸铈10%、无水乙醇20%、去离子水40%。
将制备的超疏水改性低碳钢采用接触角测试仪测定其接触角，与未经超疏水处理的低碳钢对比，结果如图1和图2所示，经此方法处理后，低碳钢接触角高于150°。本发明提出的具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法为恒定电位为5V，电沉积时间为4h，温度为50℃。
实施例2：
本发明提出一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，该制备方法包含以下步骤：
第一步，低碳钢预处理：
低碳钢首先分别经60目、120目、320目、600目及1200目砂纸打磨，以除去表面的杂质、氧化物，再用无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟，除去有机物，然后经N2吹干备用；
第二步：电解液配制：
分别取3个体积为100 mL的烧杯，其中一个烧杯中将硝酸铈溶解于去离子水；第二个烧杯中将亚麻酸溶解于无水乙醇中；第三个烧杯中将烷基化改性氧化石墨烯溶解于去离子水，并超声分散1小时至溶液均匀透明，然后将这三个烧杯中的液体混合，磁力搅拌半个小时，再超声分散2小时至混合溶液均匀透明；
第三步，电沉积制备超疏水结构：
采用ZF-9恒电位仪进行恒电压电沉积，将经处理的低碳钢作为工作电极浸泡于上述电解液中，以大面积铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，设置电沉积电压值为4V，电沉积时间为12h，电沉积过程中将电沉积装置置入恒温水浴锅中，设置温度为30℃，得到具有自修复特性的超疏水低碳钢表面。
电解液配方由烷基化改性氧化石墨烯、亚麻酸、硝酸铈、无水乙醇和去离子水组成，其质量分数分别为：烷基化改性氧化石墨烯20%、亚麻酸20%、硝酸铈10%、无水乙醇30%、去离子水20%。本发明提出的具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法为恒定电位为4 V，电沉积时间为12h，温度为30℃。
将超疏水改性低碳钢在1 M HCl溶液腐蚀介质中进行极化曲线测试，与未经超疏水处理的低碳钢对比，结果如图3和图4和表1所示，经此方法处理后，自腐蚀电流明显减小，说明制备的超疏水改性低碳钢具有更优的耐蚀性能。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实施例3：
本发明提出一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，该制备方法包含以下步骤：
第一步，低碳钢预处理：
低碳钢首先分别经60目、120目、320目、600目及1200目砂纸打磨，以除去表面的杂质、氧化物，再用无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟，除去有机物，然后经N2吹干备用；
第二步：电解液配制：
分别取3个体积为100 mL的烧杯，其中一个烧杯中将硝酸铈溶解于去离子水；第二个烧杯中将亚麻酸溶解于无水乙醇中；第三个烧杯中将烷基化改性氧化石墨烯溶解于去离子水，并超声分散1小时至溶液均匀透明，然后将这三个烧杯中的液体混合，磁力搅拌半个小时，再超声分散2小时至混合溶液均匀透明；
第三步，电沉积制备超疏水结构：
采用ZF-9恒电位仪进行恒电压电沉积，将经处理的低碳钢作为工作电极浸泡于上述电解液中，以大面积铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，设置电沉积电压值为2V，电沉积时间为8h，电沉积过程中将电沉积装置置入恒温水浴锅中，设置温度为40℃，得到具有自修复特性的超疏水低碳钢表面。
电解液配方由烷基化改性氧化石墨烯、亚麻酸、硝酸铈、无水乙醇和去离子水组成，其质量分数分别为：烷基化改性氧化石墨烯15%、亚麻酸15%、硝酸铈20%、无水乙醇20%、去离子水30%。本发明提出的具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法为恒定电位为2 V，电沉积时间为8h，温度为40℃。
将超疏水改性低碳钢在1 M HCl溶液腐蚀介质中进行电化学阻抗测试，与未经超疏水处理的低碳钢对比，结果如图5和图6和表2所示，经此方法处理后，阻抗值明显增大，说明制备的超疏水改性低碳钢具有更优的耐蚀性能。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。

Claims (2)

1.一种具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法，其特征在于，该制备方法包含以下三个步骤：
第一步，低碳钢预处理：
低碳钢首先分别经60目、120目、320目、600目及1200目砂纸打磨，以除去表面的杂质、氧化物，再用无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟，除去有机物，然后经N2吹干备用；
第二步：电解液配制：
分别取3个体积为100 mL的烧杯，其中一个烧杯中将硝酸铈溶解于去离子水；第二个烧杯中将亚麻酸溶解于无水乙醇中；第三个烧杯中将烷基化改性氧化石墨烯溶解于去离子水，并超声分散1小时至溶液均匀透明，然后将这三个烧杯中的液体混合，磁力搅拌半个小时，再超声分散2小时至混合溶液均匀透明；
所述混合溶液中各化学物质的质量分数分别为：烷基化改性氧化石墨烯15% - 20%、亚麻酸15% - 20%、硝酸铈10% - 20%、无水乙醇20% - 30%、去离子水20% - 40%，各组份百分含量之和为100%；
第三步，电沉积制备超疏水结构：
采用ZF-9恒电位仪进行恒电压电沉积，将经处理的低碳钢作为工作电极浸泡于上述电解液中，以大面积铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，设置电沉积电压值为2 - 5V，电沉积时间为4 - 12h，电沉积过程中将电沉积装置置入恒温水浴锅中，设置温度为30-50℃，得到具有自修复特性的超疏水低碳钢表面。
2.如权利要求1所述的具有自修复特性的超疏水低碳钢表面的制备方法的制备方法，其特征在于：所述亚麻酸以及硝酸铈均为分析纯化学试剂。
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