CN110894594A - 一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法 - Google Patents

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    • C23C16/0281Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating of metallic sub-layers

Abstract

本发明公开了一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,该方法采用不锈钢作为基底材料,在其表面镀铜或者镍,然后通过等离子体增强化学气相沉积方法在高温条件(800℃~1200℃)下在不锈钢表面涂覆石墨烯,形成石墨烯防腐层。本发明通过特定的高温涂覆在不锈钢表面形成石墨烯防腐层,不需要额外的粘接剂,其耐高温性能、抗氧化和抗腐蚀效果显著。

Description

一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法
技术领域
本发明涉及基于不锈钢和石墨烯的复合材料制备工艺,具体涉及一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法。
背景技术
不锈钢被广泛用于发电站、空调和化工装备等的传热材料,带来了巨大的经济效益,但不锈钢在高温环境中抗氧化和抗腐蚀能力有限,在高温环境下极易被氧化腐蚀。如何改善不锈钢管表面的抗氧化、抗腐蚀性,制备出一种超强抗腐蚀的新型不锈钢材料成为急需要解决的问题。而石墨烯作为一种稳定的二维炭材料,其厚度只有一个到几个原子,无缺陷石墨烯具有水和气体不透过性。因此,将石墨烯涂覆在不锈钢表面形成防腐层,能有效隔绝不锈钢和表面的液体,有效增强不锈钢的抗氧化、抗腐蚀能力。
已有的研究表明,石墨烯涂覆能增强金属的抗氧化性和防腐性。比如,公开日为2017年1月18日,公开号为CN205897939U的中国实用新型专利文献,公开了在铜管表面设石墨烯层形成耐腐蚀层。再有公开日为2017年2月21日,公开号为CN106802106A的中国发明专利文献,公开了在铜管表面涂覆石墨烯,以提高铜的抗腐蚀能力。但是该类技术都是采用的纯铜管,其应用的领域和数量都受到很大限制。
对于不锈钢,其使用领域更广和用量的更大,且相对于纯铜来说其中有许多的其他金属,提高了其防腐要求和石墨烯涂覆难度。对于不锈钢和石墨烯结合的研究,比如公开日为2017年8月11日,公开号为CN107034498A的中国发明专利文献,公开了在不锈钢表面电镀镍后再电镀铜,然后在其表面化学气相沉积石墨烯,将其用于工业接地网不锈钢防腐,该工艺需要镀两层金属,步骤繁琐。再有公开日为2018年9月21日公开号为CN 108559346 A的中国发明专利文献公开了使用水性丙烯酸树脂作为粘接剂制备石墨烯涂料,公开日为2018年8月7日公开号为CN 108373812 A的专利使用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯制备石墨烯涂料,但是这类技术方案中都需要额外的粘接剂,且这些高分子粘接剂在高温下易软化脱落,因此也不能有效解决相应的石墨烯和不锈钢结合的问题。
而本发明公开了使用工业级不锈钢作为基底材料,在高温条件下涂覆石墨烯,得到一种石墨烯涂覆的耐高温、抗氧化、抗腐蚀不锈钢复合材料。
发明内容
本发明为解决上述技术问题,提供了一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,通过特定的高温涂覆在不锈钢表面形成石墨烯防腐层,不需要额外的粘接剂,其耐高温性能、抗氧化和抗腐蚀效果显著。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,步骤如下:
(一)在不锈钢表面镀铜或镍:用1号液体清洗不锈钢表面并吹干,接着再用去离子水清洗不锈钢表面并吹干;用稀盐酸化学除杂,接着再用去离子水清洗并吹干;用1号液体清洗不锈钢表面并吹干;将洗好的不锈钢放置在镍或铜的盐溶液中,静置一段时间使表面形成前驱体,取出烘干,再将不锈钢放入还原剂溶液中进行还原,即得到镀镍或铜的不锈钢;所述清洗过程包括冲洗和超声波振动。
所述1号液体为丙酮、酒精、异丙醇和水的一种或多种任意比例的混合液体。
所述稀盐酸的浓度为0.1 mol/L~2 mol/L,浸泡化学除杂的时间为1~30min。
所述吹干使用的气体为惰性气体,包括氮气和氩气。
(二)将步骤(一)处理完成后的不锈钢置于真空管式炉反应室中,控制反应室压力小于5 Pa,通入氢气加热,升温速率为5℃/min~15℃/min,当达到800℃~1200℃后保温1min~60 min,然后通入含碳气体,再保温1 min~60 min,使含碳气体热分解后在不锈钢表面高温涂覆石墨烯,再将反应室的温度降至室温,即完成涂覆石墨烯防腐涂层。
其中,通入的氢气可以是纯氢气,也可以是氢气和氩气的混合气,通入的气体流量为0.5~300 sccm。当是混合气时,混合气中氢气的占比为0.1%~5%。
其中,通入的含碳气体可以是纯含碳气体,也可以是含碳气体和氩气的混合气,通入的气体流量为0.5~300 sccm。当是混合气时,混合气中含碳气体的占比为0.1%~5%。通入气体中,含碳气体为碳原子在1~10区间内的烷烃、烯烃、炔烃和芳烃中一种或任意比例的多种。
所述真空管式炉使用石英管,石英管的两端用法兰和橡胶圈封口,并与用于控制反应室压力的机械泵连接。
所述不锈钢牌号可以为304或者316,但也不限于这两种。
所述不锈钢的形状为片状,或者管状,或者块状,或者粉末状,或者其它用于换热的形状。
与现有技术相比,本发明的特点在于:
1、不锈钢防腐涂层的厚度只有一个或几个碳原子厚度,不会对不锈钢的使用造成其他的干扰。
2、防腐涂层是在不锈钢表面高温涂覆,不需要额外加入粘连剂,耐高温性能显著。
3、石墨烯防腐涂层本身材料稳定,耐酸碱,可使用与有机和无机环境,防腐效能持续性强,无毒无害。
4、本不锈钢防腐涂层的涂覆方法简单,厚度特别均一。
附图说明
图1是实施例1中得到的涂覆了石墨烯的不锈钢表面的拉曼光谱数据示意图。
图2是实施例1中涂覆石墨烯的不锈钢和未涂覆石墨烯的不锈钢的塔菲尔曲线数据示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步描述,以更好地了解本发明的内容,但本发明并不仅限于以下的实施例。
实施例1
一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,步骤如下:
(一)在不锈钢表面镀铜或镍:
将304不锈钢片放入丙酮中超声振动5 min清洗其表面并用氮气吹干,接着再将其放入去离子水中超声振动5 min清洗其表面并用氮气吹干;
用2 mol/L的稀盐酸浸泡10 min,接着再用去离子水浸泡10 min并吹干;
在丙酮中超声振动5 min清洗其表面并用氮气吹干。
将洗好的不锈钢放置于2wt%硫酸镍,0.2wt%十二烷基苯磺酸钠水溶液中,静置15min后取出烘干,放入0.1wt%硼氢化钠的水溶液中,反应15min后取出,即完成表面化学镀镍。酸性溶液为盐酸,浓度为5 mol/L,化学除杂时间为15min;清洗使用的液体为丙酮和水。
(二)高温涂覆石墨烯防腐层:
将处理后的不锈钢片放入密封管式炉中,并通入氢气,气体流量为300 sccm,压力为0.5 Pa,从室温加热到800℃,升温速率为5℃/min,并在800℃保持60 min;接着同时通入甲烷,流量为300 sccm,再保温60 min,在其表面进行石墨烯的高温涂覆,然后将反应室的温度降至室温,即完成涂覆石墨烯防腐层。
如图1所示,为该实验例涂覆石墨烯防腐层后的拉曼测试数据图,从图中可以看出有明显的石墨烯的特征峰,说明本实施例成功在不锈钢片上进行了石墨烯的高温涂覆。如图2所示,是涂覆了石墨烯的不锈钢和未涂覆石墨烯的不锈钢的塔菲尔曲线,可以看出涂覆了石墨烯的不锈钢的腐蚀电位正移,腐蚀电流减小。
实施例2
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:石墨烯高温涂覆的温度为1000℃。
实施例3
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:石墨烯高温涂覆的温度为1200℃。
实施例4
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:高温涂覆的过程中,将不锈钢样品放入管式炉后,高温涂覆过程中炉管内的压力为30~40 Pa。
实施例5
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:氢气的流量为250sccm。
实施例6
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:氢气的流量为0.5sccm。
实施例7
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:甲烷的流量为250sccm。
实施例8
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:甲烷的流量为0.5sccm。
实施例9
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:石墨烯高温涂覆是在不锈钢管,或者不锈钢薄膜,或者不锈钢块体,或者不锈钢粉体上进行。
实施例10
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:不锈钢牌号为316。
实施例11
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:从室温加热到800℃,升温速率为15℃/min。
实施例12
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:从室温加热到800℃,升温速率为5℃/min,并在800℃保持1 min。
实施例13
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:接着同时通入甲烷,流量为300 sccm,再保温1 min。
实施例14
本实施例采用和实施例1基本相同的制备方法,其中不同的是:将洗好的不锈钢放置于2wt%硫酸铜,0.2wt%十二烷基苯磺酸钠水溶液中,静置15min后取出烘干,放入0.1wt%硼氢化钠的水溶液中,反应15min后取出,即完成表面化学镀铜。

Claims (10)

1.一种不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于步骤如下:(一)在不锈钢表面镀铜或镍;(二)将步骤(一)处理完成后的不锈钢置于真空管式炉反应室中,控制反应室压力小于5 Pa,通入氢气加热,升温速率为5℃/min~15℃/min,当达到800℃~1200℃后保温1 min~60 min,然后通入含碳气体,再保温1 min~60 min,使含碳气体热分解后在不锈钢表面高温涂覆石墨烯,再将反应室的温度降至室温,即完成涂覆石墨烯防腐涂层。
2.根据权利要求1所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:步骤(一)中镀铜或镍的具体方法为:用1号液体清洗不锈钢表面并吹干,接着再用去离子水清洗不锈钢表面并吹干;用稀盐酸化学除杂,接着再用去离子水清洗并吹干;用1号液体清洗不锈钢表面并吹干;将洗好的不锈钢放置在镍或铜的盐溶液中,静置一段时间使表面形成前驱体,取出烘干,再将不锈钢放入还原剂溶液中进行还原,即得到镀镍或铜的不锈钢。
3.根据权利要求2所述的铜合金复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:所述吹干使用的气体为惰性气体,是氮气,或者氩气,或者氮气和氩气的混合气体。
4.根据权利要求2所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:步骤(一)中所述稀盐酸的浓度为0.1 mol/L~2 mol/L,浸泡化学除杂的时间为1~30min。
5.根据权利要求2所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:所述 1号液体为丙酮、酒精、异丙醇和水中的一种或多种任意比例的混合液体。
6.根据权利要求1所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:步骤(二)中所述真空管式炉使用石英管,石英管的两端用法兰和橡胶圈封口,并与用于控制反应室压力的机械泵连接。
7.根据权利要求1所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:步骤(二)中通入的氢气为纯氢气,或者是含有氢气和氩气的混合气,混合气中氢气的占比为0.1%~5%,通入的气体流量为0.5~300 sccm。
8.根据权利要求1所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:步骤(二)中通入的含碳气体为碳原子在1~10区间内的烷烃、烯烃、炔烃和芳烃中一种或任意比例的多种,通入的气体流量为0.5~300 sccm。
9.根据权利要求1所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:步骤(二)中通入的含碳气体为含有氩气和含碳气体的混合气,混合气中含碳气体的占比为0.1%~5%,通入的气体流量为0.5~300 sccm。
10.根据权利要求1所述的不锈钢复合材料的石墨烯防腐层的高温涂覆方法,其特征在于:所述不锈钢牌号为304或者316;所述不锈钢的形状为片状,或者管状,或者块状,或者粉末状。
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