CN110724992A - 在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，该方法首先用去离子水和乙醇在超声波清洗仪器中依次对预磨的铝合金基体进行清洗；对铝合金基体进行电解抛光、阳极氧化、扩孔处理；将基体放置在电化学镀镍液中，使基体表面获得凸包状织构，随后将基体放置在电化学镀钴装置中，进行电化学镀钴处理，通过以上步骤的处理，主要通过阳极氧化和电化学沉积相结合在基体表面构建花瓣状微纳米粗糙结构。最后将处理后的基体放入氟硅烷乙醇溶液中浸泡修饰降低其表面自由能，使铝合金表面获得耐腐蚀超疏水膜层，有效的提高了铝合金的耐蚀性。

Description

在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法
技术领域
本发明属于金属材料表面改性及防腐蚀技术领域，涉及一种耐腐蚀超疏水膜层的制备方法，尤其涉及一种在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法。
背景技术
铝及其铝合金是工业上主要的结构用材，产量和用量仅次于钢铁。铝合金具有优良的导电热性、可加工性、抗腐蚀性和较高的强度，这使得它能够广泛适用于的众多的工业领域中，成为航空航天、汽车船舶、电子机械等领域优选的金属材料。
但是铝及铝合金在使用过程中同样不可避免遭到腐蚀介质的影响而产生腐蚀，常见的铝腐蚀类型有：点蚀、剥蚀、晶间腐蚀等。铝合金的腐蚀极大的降低了铝合金构件的使用寿命，限制了铝合金在工业上的应用，因而研究稳定且保护性能良好的铝合金防护方法具有重大意义。
超疏水表面由于其天然的憎水功能在金属表面防腐上有着重要的研究价值。近年来超疏水涂层被逐渐应用于各种工业材料的防腐，超疏水涂层的防腐机理是在材料和腐蚀液之间形成一个空气层，空气层可以有效隔绝腐蚀性离子的传递，阻止腐蚀反应的发生。在金属表面构建超疏水涂层是一种拥有巨大潜力的可提高材料防腐性能的方法。
现今，构建超疏水性表面的方法有溶胶-凝胶法，化学气相沉积法，模板法，水热合成法，等离子体刻蚀法和静电纺丝法等。然而，这些方法大多存在制备过程复杂、持续时间长、可扩展性差以及不能大面积实施的问题，从而严重制约了在实际生产中的应用。因此，采用简单易操作、可重复性好且成本低廉的制备方法具有非常重要的意义。
发明内容
发明目的：为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种提高铝合金基体的耐蚀性、制备方法简单以及处理过程易于实现的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，该在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法包括以下步骤：
1)依次用去离子水和乙醇在超声波清洗仪器中处理预磨的铝合金基体；
2)对经过步骤1)处理的铝合金基体依次进行电解抛光处理、阳极氧化处理以及扩孔处理；
3)将经过步骤2)处理的铝合金基体放置在电化学镀镍溶液中，使铝合金基体表面获得凸包状织构；
4)将经过步骤3)处理的铝合金基体放置在电化学镀钴溶液中，进行电化学镀钴处理，使铝合金基体表面形成微纳米尺度的双层分级结构；
5)将经过步骤4)处理的处理后的铝合金基体放入FAS乙醇溶液中进行修饰，使铝合金基体表面形成低表面能薄膜，使其具有分级粗糙结构的超疏水膜层。
作为优选，本发明所采用的步骤2)中电解抛光处理的具体实现方式是：将铝合金基体置于抛光液中进行电解抛光处理，所述抛光液是由体积分数是40％的无水乙醇以及体积分数是60％的磷酸混合而成，所述电解抛光处理时的电流密度是200mA/cm2，工作时间为5min。
作为优选，本发明所采用的步骤2)中阳极氧化处理的具体实现方式是：将完成电解抛光处理后的铝合金基体置于阳极氧化液中进行阳极氧化处理，所述阳极氧化液是300g/L的磷酸；所述阳极氧化处理的工作温度是20℃；所述阳极氧化处理的电源是恒压60V，工作时间为15min。
作为优选，本发明所采用的步骤2)中扩孔处理的具体实现方式是：将完成阳极氧化处理后的铝合金基体置于扩孔液中进行扩孔处理，所述扩孔液是体积分数为5％的磷酸水溶液；所述扩孔处理的时间是20min。
作为优选，本发明所采用的步骤3)中电化学镀镍溶液包括180-230g/L的NiSO4·6H2O、30-40g/L的(NH4)25O4，40-60g/L的NiCl2·6H2O以及130-150g/L的C6H5Na3O7·2H2O，所述电化学镀镍溶液的pH＝5.8-6.2；所述电化学镀镍溶液的温度是55℃；所述电化学镀镍时的电流密度是20mA/cm2，工作时间为40min。
作为优选，本发明所采用的电化学镀镍溶液还包括28-32g/L的C6H11NaO7。
作为优选，本发明所采用的步骤4)中电化学镀钴溶液包括8-14g/L的CoCl2·6H2O以及10-16g/L的Na2SO4；所述电化学镀钴时的电流密度是8-14mA/cm2，所述电化学镀钴是在室温条件下处理5min。
作为优选，本发明所采用的步骤5)中的FAS乙醇溶液的浓度是1wt％。
作为优选，本发明所采用的步骤5)的修饰时间是2小时。
根据如前记载的铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法在铝合金表面形成的耐腐蚀超疏水膜层。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，首先用去离子水和乙醇在超声波清洗仪器中依次对预磨的铝合金基体进行清洗，然后对铝合金基体进行电解抛光、阳极氧化、扩孔处理，再将基体放置在电化学镀镍液中，使基体表面获得凸包状织构，随后将基体放置在电化学镀钴装置中，进行电化学镀钴处理，进一步构建花瓣状的粗糙微纳结构，通过以上步骤的处理，在铝合金表面构建了微纳米尺度的分级粗糙结构，最后将处理后的基体放入氟硅烷乙醇溶液中浸泡修饰降低其表面自由能，使铝合金表面获得耐腐蚀超疏水膜层，有效的提高了铝合金的耐蚀性。本发明把阳极氧化和电化学沉积相结合，在铝合金表面制备超疏水性表面的方法制备的表面润湿角超过150°高达164.2±1°，并且在室温条件下薄膜具有较高的稳定性和耐久性，其制备方法简单，处理过程易于实现。
附图说明
图1是铝合金基体表面阳极氧化膜纳米管；
图2是在铝合金基体表面的阳极氧化纳米管上沉积的凸包状镍涂层；
图3是在铝合金基体表面镍胞上电沉积钴构造的粗糙微纳结构；
图4是得到的具有超疏水膜层表面的铝片的接触角测试结果；
图5是铝合金基体与经过超疏水处理的试样耐蚀性测试的极化曲线。
具体的实施方式
下面结合实施例及附图对本发明所提供的技术方案做进一步详细的的描述。
实施例
本发明提供了一种在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，该方法包括以下步骤：
1)对铝合金(6061)试样进行预处理：用400-2000#碳化硅砂纸将试样表面打磨光滑，去除表面氧化皮。随后依次放置在去离子水和乙醇中各超声清洗15min，去除表面油污，并在室温条件下干燥。
2)对铝合金基体依次进行电解抛光处理、阳极氧化处理以及扩孔处理；
其中：电解抛光处理：将预磨后的铝合金基体进行电解抛光处理，铝合金试样连接恒流电源的阳极，阴极选用不锈钢作为惰性电极。其抛光液配比是按体积分数40％的无水乙醇和60％磷酸组成，电流密度选用200mA/cm2，工作时间为5min。
阳极氧化处理：将电解抛光后的铝合金试样进行阳极氧化处理。实验仪器选择低温(恒温)搅拌反应浴，温度设置为20℃，铝合金做阳极，铅板做阴极，放入300g/L的磷酸溶液中，电源设置为恒压60V，工作时间为15min。参见图1的a以及b，可以看到在铝合金试样的表面形成致密的阳极氧化膜纳米管。
扩孔处理：将阳极氧化后的铝合金试样进行扩孔处理，扩孔液的主要组成为体积比为5％的磷酸水溶液，扩孔时间为20min。
3)将铝合金基体放置在电化学镀镍溶液中，使铝合金基体表面获得凸包状织构；
其中，电化学沉积镀镍的具体过程是将经过前期处理的试样浸入镀镍溶液中进行电镀镍处理，镀镍溶液的组成为200g/L的NiSO4·6H2O，35g/L的(NH4)2SO4，50g/L的NiCl2·6H2O，140g/L的C6H5Na3O7·2H2O以及30g/L的C6H11NaO7，铝合金试样作电镀装置的阴极，Ni金属板作阳极，pH值选择5.8-6.2，温度选择为60℃，电流密度选择为20mA/cm2，工作时间为40min。其中，NiSO4·6H2O(硫酸镍)以及NiCl2·6H2O(氯化镍)是主盐，提供金属镀层所需的金属镍离子；柠檬酸三钠是络合剂，与Ni2+形成络合离子；硫酸铵是主要用于提高电镀液的导电性；葡萄糖酸钠使镀件表面光亮，结晶细致整平性。参见图2的a(100μm)以及b(10μm)，在铝合金基体表面的阳极氧化纳米管上沉积的凸包状镍涂层。
4)将铝合金基体放置在电化学镀钴溶液中，进行电化学镀钴处理，使铝合金基体表面形成微纳米尺度的双层分级结构；
其中，电化学沉积镀钴是将电镀镍完成后的铝合金试样进行电镀钴处理，电化学镀钴溶液组成为：10g/L的CoCl2·6H2O，12g/L的Na2SO4。铝合金作阴极，钴金属板作阳极，电流密度大小选用10mA/cm2，工作时间为5min。CoCl2·6H2O是主盐，提供金属镀层所需的的金属钴离子；Na2SO4主要用于提高电镀液的导电性。参见图3的a(5μm)和b(2μm)，在铝合金基体表面镍胞上电沉积钴构造的粗糙微纳结构。
5)将处理后的铝合金基体放入FAS乙醇溶液中进行修饰，使铝合金基体表面形成低表面能薄膜，使其具有分级粗糙结构的超疏水膜层。具体是将电镀钴处理后的铝合金试样浸入到修饰液中，修饰液为1wt％FAS乙醇溶液，在室温条件下浸泡时间为2小时，使铝合金表面形成了花瓣状微纳米超疏水膜层。参见图4，对得到的具有超疏水膜层表面的铝片的接触角测试结果，其结果显示，在铝合金表面制备超疏水性表面的方法制备的表面润湿角超过150°高达164.2±1°。
本发明首先用去离子水和乙醇在超声波清洗仪器中依次对预磨的铝合金基体进行清洗，然后对铝合金基体进行电解抛光、阳极氧化、扩孔处理，再将基体放置在电化学镀镍液中，使基体表面获得凸包状织构，随后将基体放置在电化学镀钴装置中，进行电化学镀钴处理，进一步构建花瓣状的粗糙微纳结构，通过以上步骤的处理，在铝合金表面构建了微纳米尺度的分级粗糙结构，最后将处理后的基体放入氟硅烷乙醇溶液中浸泡修饰降低其表面自由能，使铝合金表面获得耐腐蚀超疏水膜层，有效的提高了铝合金的耐蚀性。材料的浸润性是由表面的化学组成和微观几何结构共同决定的，通常以接触角θ表征液体对固体的浸润成度。化学组成结构是内因：低表面能自由物质如含氟可以得到疏水的效果。现代研究表明，光滑固体表面接触角最大为120°左右。表面几何结构有重要影响：具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏(亲)水表面的疏(亲)水性能。
参见图5，本发明选用武汉科斯特CS2350双恒电位仪对试样进行耐蚀性测试，测出动电位极化曲线，其工作原理是利用tafel直线外推法。采用带有铂电极的平板腐蚀池及Ag/AgCl饱和KCl参比电极组成的三电极系统进行测量，测试时选择的腐蚀介质为3.5％NaCl溶液，首先将样品浸入到腐蚀溶液中30min以稳定开路电位。
经过Zview软件分析可知，其腐蚀电位由-0.7547提高为-0.5305，腐蚀电流密度由5.56×10-5缩小为1.428×10-6，耐蚀性有显著的提高。

Claims (10)

1.一种在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法包括以下步骤：
1）依次用去离子水和乙醇在超声波清洗仪器中处理预磨的铝合金基体；
2）对经过步骤1）处理的铝合金基体依次进行电解抛光处理、阳极氧化处理以及扩孔处理；
3）将经过步骤2）处理后的铝合金基体放置在电化学镀镍溶液中，使铝合金基体表面获得凸包状织构；
4）将经过步骤3）处理后的铝合金基体放置在电化学镀钴溶液中，进行电化学镀钴处理，使铝合金基体表面形成微纳米尺度的双层分级结构；
5）将经过步骤4）处理后的铝合金基体放入FAS乙醇溶液中进行修饰，使铝合金基体表面形成低表面能薄膜，使其具有分级粗糙结构的超疏水膜层。
2.根据权利要求1所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述步骤2）中电解抛光处理的具体实现方式是：将铝合金基体置于抛光液中进行电解抛光处理，所述抛光液是由体积分数是40%的无水乙醇以及体积分数是60%的磷酸混合而成，所述电解抛光处理时的电流密度是200mA/cm2，工作时间为5min。
3.根据权利要求2所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述步骤2）中阳极氧化处理的具体实现方式是：将完成电解抛光处理后的铝合金基体置于阳极氧化液中进行阳极氧化处理，所述阳极氧化液是300g/L的磷酸；所述阳极氧化处理的工作温度是20℃；所述阳极氧化处理的电源是恒压60V，工作时间为15min。
4.根据权利要求3所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述步骤2）中扩孔处理的具体实现方式是：将完成阳极氧化处理后的铝合金基体置于扩孔液中进行扩孔处理，所述扩孔液是体积分数为5%的磷酸水溶液；所述扩孔处理的时间是20min。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述步骤3）中电化学镀镍溶液包括180-230g/L的NiSO4•6H2O、30-40g/L 的（NH4）2SO4，40-60g/L的NiCl2·6H2O以及130-150g/L 的C6H5Na3O7·2H2O，所述电化学镀镍溶液的pH=5.8-6.2；所述电化学镀镍溶液的温度是55℃；所述电化学镀镍时的电流密度是20mA/cm2，工作时间为40min。
6.根据权利要求5所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述电化学镀镍溶液还包括28-32g/L的C6H11NaO7。
7.根据权利要求6所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述步骤4）中电化学镀钴溶液包括8-14g/L的CoCl2·6H2O以及10-16g/L的Na2SO4；所述电化学镀钴时的电流密度是8-14mA/cm2，所述电化学镀钴是在室温条件下处理5min。
8.根据权利要求7所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述步骤5）中的FAS乙醇溶液的浓度是1 wt%。
9.根据权利要求8所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法，其特征在于：所述步骤5）的修饰时间是2小时。
10.根据权利要求9所述的在铝合金表面制备耐腐蚀超疏水膜层的方法在铝合金表面形成的耐腐蚀超疏水膜层。
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