TWI639505B - Corrosion-resistant components and corrosion-resistant metal appliances - Google Patents

Abstract

一種防腐蝕構件，用於一金屬基材上，包含：一個用以設置在該金屬基材上的基層體及一個設置在該基層體上的碳層體。該基層體選自於聚胺酯層、聚偏氟乙烯樹脂層，或聚胺酯層與聚偏氟乙烯樹脂層所構成的疊層。該碳層體包含成膜劑及碳材。該碳材選自於石墨烯(graphene)、氧化石墨烯(graphene oxide)、還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide)、經表面改質的石墨烯，或上述任意組合。本發明亦提供一種包含上述防腐蝕構件的耐腐蝕金屬器具。

Description

防腐蝕構件及耐腐蝕金屬器具

本發明是有關於一種防腐蝕塗層，特別是指一種包含一個基層體及一個碳層體的防腐蝕構件。

中國專利公開第CN103740192號專利案揭示石墨烯改性的氟樹脂塗料。該石墨烯改性的氟樹脂塗料包含氟樹脂塗料及石墨烯，其中，該石墨烯佔氟樹脂塗料的質量百分比為0.001~10%。該氟樹脂塗料包括成膜物，且該成膜物可以是聚偏氟乙烯樹脂。該石墨烯可以是有各種官能團的改性石墨烯，且該官能團為羥基、羧基、羰基、氮基或胺基等。

該石墨烯改性的氟樹脂塗料用來在一碳鋼片上形成一防腐蝕層。參閱圖1，一金屬器具包含該碳鋼片3及形成在該碳鋼片3上的該防腐蝕層4。透過該防腐蝕層4，以避免該碳鋼片3被具有腐蝕性物質的溶液腐蝕，因而提升該金屬器具的抗腐蝕性。該具有腐蝕性物質的溶液例如硫酸水溶液或硝酸水溶液等。

雖由該石墨烯改性的氟樹脂塗料所形成的防腐蝕層4可 避免該碳鋼片3被具有腐蝕性物質的溶液腐蝕，但僅透過該防腐蝕層4對該碳鋼片3所達到的防腐蝕效果仍不符合業界所需。

因此，本發明的一目的，即在提供一種具有防腐蝕效果的防腐蝕構件。

於是，本發明防腐蝕構件，用於一金屬基材上，包含：一個用以設置在該金屬基材上的基層體及一個設置在該基層體上的碳層體。該基層體選自於聚胺酯層、聚偏氟乙烯樹脂層，或聚胺酯層與聚偏氟乙烯樹脂層所構成的疊層。該碳層體包含成膜劑及碳材。該碳材選自於石墨烯(graphene)、氧化石墨烯(graphene oxide)、還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide)、經表面改質的石墨烯，或上述任意組合。

本發明的另一目的，即在提供一種具有耐腐蝕性的耐腐蝕金屬器具。

於是，本發明耐腐蝕金屬器具，包含：一金屬基材及一設置在該金屬基材上的上述防腐蝕構件。

本發明的功效在於：透過該基層體及該碳層體的組合，使得該防腐蝕構件應用至一金屬基材上，可避免該金屬基材被腐蝕，繼而延長該金屬基材的使用期限。

以下將就本發明內容進行詳細說明。

該金屬基材例如但不限於會被氧化腐蝕的金屬片。該會被氧化腐蝕的金屬片例如但不限於鐵片、銅片、鎳片、鉛片或鋅片等。

該基層體的聚胺酯層的形成方法是利用一聚胺酯塗料經一塗佈方式所形成。該聚胺酯塗料包含聚胺酯及溶劑。該溶劑依據該聚胺酯的特性以及塗佈方式等進行選擇。該塗佈方式例如但不限於浸塗法或滾輪塗佈法等。

該基層體的聚偏氟乙烯樹脂層是利用一聚偏氟乙烯樹脂塗料經一塗佈方式所形成。該聚偏氟乙烯樹脂塗料包含聚偏氟乙烯樹脂及溶劑。該聚偏氟乙烯樹脂是由包含偏氟乙烯(vinylidene fluoride)的組分經聚合反應所形成。該組份還包含具有氟乙烯基的單體。該溶劑依據該聚偏氟乙烯樹脂的特性以及該塗佈方式等進行選擇。該塗佈方式例如但不限於浸塗法或滾輪塗佈法等。該溶劑例如但不限於N-甲基吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone，簡稱NMP)、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide，簡稱DMSO)、二甲基乙醯胺(dimethylacetamide，簡稱DMAC)或二甲基甲醯胺(dimethylformamide，簡稱DMF)等。

該碳層體包含至少一層碳層。該碳層是利用一碳材塗料經一塗佈方式所形成。該碳材塗料包含該成膜劑、該碳材及溶劑。該成膜劑例如但不限於聚偏氟乙烯樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂、聚 丙烯酸酯樹脂或聚胺酯等。該聚偏氟乙烯樹脂例如上述形成該基層體的聚偏氟乙烯樹脂層的聚偏氟乙烯樹脂塗料中的聚偏氟乙烯樹脂。該碳材中的石墨烯例如但不限於單層石墨烯或多層石墨烯等。該碳材中的氧化石墨烯(亦稱氧化石墨，graphite oxide)是由石墨(graphite)或經插層處理的石墨進行氧化處理所形成。該氧化處理採用以往所知對石墨或經插層處理的石墨進行氧化的方式，例如利用硫酸、硝酸、過錳硫酸鉀或過氧化氫等氧化劑使石墨或經插層處理的石墨氧化。該經插層處理的石墨是由石墨與插層劑作用所形成。該插層劑例如但不限於硫酸。該碳材中的還原氧化石墨烯是將該氧化石墨烯經熱處理進行還原所形成。該熱處理的溫度範圍為250℃至1,000℃。藉由該熱處理降低該氧化石墨烯的含氧量，以提升該氧化石墨烯的疏水性，進而抵抗一含有具有腐蝕性物質的溶液的侵蝕。該碳材中的經表面改質的石墨烯例如表面具有官能基的石墨烯，且該官能基例如但不限於羥基、羧基、羰基、氮基或胺基等。該溶劑是依據該成膜劑的種類進行選擇。該溶劑例如但不限於N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞碸、二甲基乙醯胺或二甲基甲醯胺等。為更利於將該成膜劑及該碳材混合均勻，較佳地，以該成膜劑及該碳材的總量為100wt%計，該成膜劑的含量範圍為87wt%至99wt%且該碳材的含量範圍為1wt%至13wt%。為使該防腐蝕構件具有更佳的防腐蝕性，或為更利於將該成膜劑及該碳材混合均勻避免有團 聚現象而產生空隙，較佳地，該碳材與該成膜劑的重量比值範圍為0.01以上。該塗佈方式例如但不限於浸塗法或滾輪塗佈法等。該碳層體的厚度依據應用的需求進行調整。在本發明中，該碳層體的厚度範圍為100μm至200μm。值得說明的是，當該碳層體包含複數層碳層時，該等碳層中的成膜劑及/或該碳材可為相同或不同。

該碳材塗料的製備方法包含以下步驟：將該成膜劑、該碳材及該溶劑混合均勻。該混合所採用的裝置例如但不限於均質機。該碳材塗料的製備方法還包含於混合後的脫泡處理步驟。該脫泡處理是利用超音波震盪器來進行或於真空環境下進行。

1‧‧‧經處理鐵片

2‧‧‧防腐蝕構件

21‧‧‧基層體

211‧‧‧聚胺酯層

212‧‧‧聚偏氟乙烯樹脂層

22‧‧‧碳層體

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是以往金屬器具的一剖面立體示意圖；圖2是本發明耐腐蝕金屬器具的一第一實施例至第十二實施例的一剖面立體示意圖；及圖3是本發明耐腐蝕金屬器具的一第十三實施例至第十四實施例的一剖面立體示意圖。

在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

製備例1 還原氧化石墨烯

將4克的硝酸鈉，與560毫升且濃度為98wt%的硫酸溶液混合，並於80℃下攪拌至完全溶解。接著加入8克的石墨攪拌反應2小時，使石墨均勻分散至溶液中。然後緩慢加入32克的過錳酸鉀，並反應2小時。接著利用分液漏斗緩慢加入800毫升的去離子水，然後再緩慢加入200毫升的雙氧水直到溶液呈現亮黃色為止。接著加入400毫升的去離子水稀釋，並靜置一天使氧化石墨烯沉澱。然後移除氧化石墨烯上方的溶液，並加入400毫升的鹽酸，接著加入去離子水至體積為2L，然後靜置使氧化石墨烯沉澱，並移除氧化石墨烯上方的溶液，接著重複加入去離子水、沉澱及移除的步驟，直到移除步驟中上方的溶液的pH為7.0。將取得的氧化石墨烯裝入透析袋進行透析處理以去除殘留的鹽酸，形成經透析處理的氧化石墨烯。然後將該經透析處理的氧化石墨烯放入真空箱進行烘乾。將烘乾後的氧化石墨烯磨碎並使用200mesh的篩網過篩。將通過篩網的氧化石墨烯以250℃的溫度進行熱脫層還原約1分鐘，使通過篩網的氧化石墨烯產生膨脹現象，即可得到該還原氧化石墨烯。

製備例2至5是以與製備例1相同的步驟來製備還原氧化石墨烯，不同的地方在於熱脫層還原的溫度。該製備例2至5的熱脫層還原的溫度依序為300℃、500℃、800℃及1,000℃。

製備例6 聚偏氟乙烯樹脂塗料

將25毫升的N-甲基吡咯烷酮及4克的聚偏氟乙烯樹脂(廠牌：日本吳羽；型號：W#9200；重量平均分子量：1,000,000)混合，並置於均質機中以轉速為2000rpm的速度進行40分鐘的攪拌，直到聚偏氟乙烯樹脂完全溶解。

製備例7 聚胺酯塗料

將0.5莫耳的六亞甲基二異氰酸酯(hexamethylene diisocyanate，簡稱HDI)、0.5莫耳的聚丙二醇(polypropylene glycol)、0.03毫莫耳的二月桂酸二丁基錫(dibutyltin dilaurate，簡稱DBTDL)及16毫升的無水四氫呋喃置於雙頸瓶中，架設回流裝置，溫度設定在47±2℃，於氬氣(或氮氣)環境下均勻混合並進行反應5小時。接著，加入0.5mole的六亞甲基二異氰酸酯、2毫升的無水四氫呋喃及0.5莫耳的1,5-戊二醇(1,5-pentanediol)，進行反應4小時。

製備例8 碳材塗料

將25毫升的N-甲基吡咯烷酮及4克的聚偏氟乙烯樹脂(廠牌：日本吳羽；型號：W#9200；重量平均分子量：1,000,000) 混合，並置於均質機中以轉速為2000rpm的速度進行40分鐘的攪拌，直到聚偏氟乙烯樹脂完全溶解。接著加入石墨烯，形成碳材塗料。

製備例9至17是以與製備例8相同的步驟來製備碳材塗料，不同的地方在於該成膜劑的含量及該碳材的種類及含量，參閱表1。

參閱圖2及表2，本發明耐腐蝕金屬器具的一第一實施例，包含一個尺寸為30mm×30mm×1.5mm的經處理鐵片1及一個設置在該經處理鐵片1上的防腐蝕構件2。該經處理鐵片1是將一鐵 片利用碳化矽水磨砂紙打磨拋光，接著用酒精清洗，再浸泡至濃度為37wt%的鹽酸溶液中10至20分鐘，然後用酒精清洗，最後放置於60℃的烘箱中進行烘乾所形成。該防腐蝕構件2包含一個設置在該經處理鐵片1上的基層體21，及一個設置在該基層體21上的碳層體22。該基層體21為一層聚胺酯層，且該聚胺酯層是由製備例7所形成。該碳層體22為一層碳層，且該碳層是由製備例10所形成。

參閱圖2及表2，本發明耐腐蝕金屬器具的第二實施例是類似於該第一實施例，與該第一實施例主要不同在於該防腐蝕構件2的碳層體22。該第二實施例中的該防腐蝕構件2的碳層體22為一層碳層，且該碳層是由製備例13所形成。

參閱圖2及表2，本發明耐腐蝕金屬器具的第三實施例是類似於該第一實施例，與該第一實施例主要不同在於該防腐蝕構件2。在該第三實施例中的該防腐蝕構件2的基層體21為一層聚偏氟乙烯樹脂層，且該聚偏氟乙烯樹脂層是由製備例6所形成，而碳層體22為一層碳層，且該碳層是由製備例8所形成。

參閱圖2及表2，本發明耐腐蝕金屬器具的第四實施例至第十二實施例是類似於該第三實施例，與該第三實施例主要不同在於該防腐蝕構件2的碳層體22。該第四實施例至第十二實施例中的該防腐蝕構件2的碳層體22皆為一層碳層，且該等實施例的碳層依序且分別是由製備例9至17所形成。

參閱圖3及表2，本發明耐腐蝕金屬器具的第十三實施例是類似於該第一實施例，與該第一實施例主要不同在於該防腐蝕構件2的基層體21。在該第十三實施例中的該防腐蝕構件2的基層體21包含一層設置在該經處理鐵片1上的聚胺酯層211及一層設置在該聚胺酯層211上的該聚偏氟乙烯樹脂層212。該聚胺酯層211是由製備例7所形成，而該聚偏氟乙烯樹脂層212是由製備例6所形成。該防腐蝕構件2的碳層體22設置在該聚偏氟乙烯樹脂層212上。

參閱圖3及表2，本發明耐腐蝕金屬器具的第十四實施例是類似於該第十三實施例，與該第十三實施例主要不同在於該防腐蝕構件2的碳層體22。該第十三實施例中的該防腐蝕構件2的碳層體22為一層碳層，且該碳層是由製備例13所形成。

本發明提供四個金屬器具做為比較對象，且依序為第一比較例、第二比較例、第三比較例及第四比較例。該第一比較例的金屬器具包含一個尺寸為30mm×30mm×1.5mm的經處理鐵片1及一層設置在該經處理鐵片1上的聚胺酯層。該經處理鐵片1如同本發明第一實施例的耐腐蝕金屬器具中的經處理鐵片1。該聚胺酯層是由製備例7所形成。該第二比較例的金屬器具是類似於該第一比較例，與該第一比較例主要不同在於形成在該經處理鐵片1上的是一層聚偏氟乙烯樹脂層，且該聚偏氟乙烯樹脂層是由製備例6所形成。該第三比較例的金屬器具是類似於該第一比較例，與該第一比 較例主要不同在於形成在該經處理鐵片1上的是一層碳層，且該碳層是由製備例8所形成。該第四比較例的金屬器具是類似於該第三比較例，與該第一比較例主要不同在於形成在該經處理鐵片1上的是一層碳層，且該碳層是由製備例13所形成。

耐腐蝕性/防腐蝕性測試：將該等實施例的耐腐蝕金屬器具及該等比較例的金屬器具進行秤重，而獲得一單位面積下的重量值W1，接著，將該等實施例的耐腐蝕金屬器具及該等比較例的金屬器具浸泡於120℃且濃度為30wt%的硫酸溶液中，且浸泡時間為一小時，然後，取出用水清洗並烘乾，最後，進行秤重，而獲得一單位面積下的重量值W2。該耐腐蝕性/防腐蝕性依據一單位面積下的重量損失值(W1-W2)進行判斷。該重量損失值越小，表示耐腐蝕金屬器具的耐腐蝕性越佳，亦即，防腐蝕構件2有效地避免該經處理鐵片1被腐蝕。

綜上所述，本發明透過該基層體21及該碳層體22的組合，使得該防腐蝕構件2應用至該金屬基材上，可避免該金屬基材被腐蝕，繼而延長該金屬基材的使用期限，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims (8)

1. 一種防腐蝕構件，用於一個金屬基材上，包含：一個基層體，用以設置在該金屬基材上，且該基層體選自於聚胺酯層、聚偏氟乙烯樹脂層，或聚胺酯層與聚偏氟乙烯樹脂層所形成的疊層；及一個碳層體，設置在該基層體上，且包含成膜劑及碳材，其中，該碳材選自於石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯，或上述任意組合。
2. 如請求項1所述的防腐蝕構件，其中，該基層體為聚胺酯層，且該碳層體的碳材選自於還原氧化石墨烯或石墨烯。
3. 如請求項1所述的防腐蝕構件，其中，該基層體為該疊層，且該疊層的該聚胺酯層設置在該金屬基材上及該聚偏氟乙烯樹脂層設置在該聚胺酯層上。
4. 如請求項3所述的防腐蝕構件，其中，該碳層體設置在該聚偏氟乙烯樹脂層上，且該碳層體的碳材選自於還原氧化石墨烯或石墨烯。
5. 如請求項1所述的防腐蝕構件，其中，以該成膜劑及該碳材的總量為100wt%計，該成膜劑的含量範圍為87wt%至99wt%且該碳材的含量範圍為1wt%至13wt%。
6. 如請求項1所述的防腐蝕構件，其中，該碳材與該成膜劑的重量比值範圍為0.01以上。
7. 如請求項1至6中任一項所述的防腐蝕構件，其中，該成膜劑包含聚偏氟乙烯樹脂。
8. 一種耐腐蝕金屬器具，包含：一金屬基材及一形成在該金 屬基材上的如請求項1至7中任一項所述的防腐蝕構件。