CN118127596A - 一种在镁合金表面制备超疏水复合膜层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在镁合金表面制备超疏水复合膜层的方法，属于金属材料表面改性领域。首先，对镁合金进行预处理、机械打磨，清洗除油；然后配制微弧氧化电解液，以镁合金基体作为阳极，阴极选用但不仅限于不锈钢，通过微弧氧化工艺在镁合金表面制备多孔微弧氧化陶瓷膜；然后将制备好的微弧氧化镁合金作为阴极，阳极选用但不仅限于石墨片，在十六烷酸和硝酸铈的酒精去离子水混合溶液中进行电沉积处理，从而获得具有微纳米级粗糙结构的陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层，去离子水在该膜层表面的接触角为157°～161°，滚动角为4～6°。本发明的方法工艺简单，不需要低能修饰即可在镁合金表面获得超疏水性能，对试样形状和尺寸要求较低，成本低廉，易于推广。

Description

一种在镁合金表面制备超疏水复合膜层的方法

技术领域

本发明涉及一种在镁合金表面制备超疏水复合膜层的方法，属于金属材料表面改性领域。具体涉及对镁合金表面依次进行预处理、微弧氧化处理、电沉积处理，从而使镁合金表面获得具有超疏水功能的陶瓷/十六烷酸铈复合膜层的制备方法。

背景技术

微弧氧化又称等离子体电解氧化(MAO)，是由传统的阳极氧化发展而来的一种环境友好的表面处理技术。通过调整微弧氧化电解液的组分和控制相应的电源模式及电参数(如电压、电流密度、频率、占空比和氧化时间等)，可在镁合金表面原位生成以MgO为主相、厚度可控且膜基结合良好的陶瓷层，隔绝镁合金基体与腐蚀介质直接接触，与基体相比，微弧氧化陶瓷层的腐蚀电流密度降低2到3个数量级，从而在一定程度上提高了基体镁合金的耐蚀性。大量的研究表明，镁合金经微弧氧化所制备的陶瓷层表现为亲水特性。微弧氧化陶瓷层作为防腐膜层存在亲水性的不利因素，微孔及微裂纹成为腐蚀性介质的传输通道，增加腐蚀性介质接触镁合金基体的渗透机会，从而使镁基体发生腐蚀导致陶瓷层失效。因此，提高微弧氧化膜层表面疏水性能以获得复合膜层，对提高其抗腐蚀能力具有重要意义。

自然界中的水生植物，如荷叶、水稻叶等具有超疏水功能，荷叶表面接触角可达165°，水滴即可在表面滚动，以防止由于水的覆盖而抑制植物的蒸腾作用与光合作用。研究表明，荷叶表面的疏水性能来自于两个原因：荷叶表面的蜡状物和表面的特殊结构，荷叶表面有序分布有平均直径为5～9μm的乳突，并且每个乳突表面分布有直径124nm的绒毛，荷叶表面的特殊结构和低表面能的蜡质物使得荷叶表面具有疏水功能与自清洁功能。

目前超疏水表面的制备主要有两种思路：一是在低表面能材料上构建合适的二元微纳米结构；二是用低表面能材料修饰具有合适二元微纳米结构的表面。由于金属表面大多为亲水表面因此常用第二种思路制备金属基体超疏水表面，又因为要求制备的超疏水表面具有较小的滚动角所以在制备时参考的模型是Cassie-Baxter模型。目前金属基体超疏水表面的常用制备方法有阳极氧化法、电化学沉积法、化学腐蚀法、化学沉积法、一步浸泡法、热氧化法、模板法等。利用上述方法在材料表面制备微纳米结构，再采用低能物质进行修饰。然而经低能修饰的表面虽然具有疏水甚至超疏水性能，但是其表面低能物质的力学性能、结合性能和耐久性较差，在外加载荷或者高温环境等实际工况条件下，低能物质膜层容易遭到破坏，从而使材料失去超疏水性能。

目前国内外对镁合金表面微弧氧化法与电化学沉积法相结合制备超疏水复合膜层的研究鲜有报道。本发明对镁合金进行微弧氧化处理后再进行电化学沉积，使具有一定耐磨耐蚀性的镁合金微弧氧化膜层表面具备超疏水性，从而提升镁合金自清洁、低粘附、耐腐蚀等性能。

发明内容

本发明旨在开发一种在镁合金表面制备超疏水复合膜层的方法，使镁合金表面具有优异的超疏水特性。

为实现上述目的，本发明的具体工艺流程如下：

(1)镁合金表面预处理：将镁合金基板裁剪为适当尺寸的试样，使用砂纸对其表面进行机械打磨，然后在但不仅限于无水乙醇中超声清洗，以去除表面的油污；

(2)微弧氧化处理：配制含有0.01-0.5mol/L Na₂SiO₃、0.1-1mol/L NaF和0.01-0.1mol/L KOH的碱性混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，使pH值稳定在10-13，将步骤(1)预处理后的镁合金基体作为阳极，阴极选用但不仅限于不锈钢，进行微弧氧化，微弧氧化工艺采用但不仅限于恒压模式；在恒压条件下进行微弧氧化时，基本参数如下：正向电压：200-450V；占空比10-50％；频率：200-600Hz；时间：5-60min；微弧氧化结束后在镁合金基体表面上获得陶瓷膜层；

(3)电沉积处理：配制无水乙醇及去离子水比例为5:1的含有0.01-0.3mol/L的CeN₃O₉·6H₂O、0.1-1.0mol/L的C₁₆H₃₂O₂混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，将步骤(2)所获得的微弧氧化镁合金作为阴极，阳极选用但不仅限于石墨片，进行电沉积处理，基本参数如下：电压：10-100V；时间：10-60min；温度：20-60℃；反应结束后在镁合金表面获得具有微纳米级粗糙结构的陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层。

采用本发明的方法制备的镁合金表面陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层，表面呈微纳米粗糙结构，具有超疏水性，去离子水在该涂层表面的接触角为157°～161°，滚动角为4～6°。

与现有技术相比，本发明的优势之处是：

(1)本发明采用的微弧氧化和电沉积复合方法，设备简单、操作简便、反应时间短、效率高，易于推广应用。

(2)采用本发明获得的陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层具备超疏水特性，应用范围广。

(3)本发明获得的超疏水复合膜层不需要低能修饰，膜层有更好的耐久性。

(4)传统微弧氧化膜层孔隙率高，吸附性强，易污染。采用本发明的方法，制备的陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层，对微弧氧化膜层起到封孔的作用，降低其孔隙率，可有效改善传统微弧氧化膜层应用的局限性。

(5)本发明在镁合金表面制备陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层，对试样的形状和尺寸要求低，适用范围广。

附图说明

图1是镁合金表面微弧氧化陶瓷膜层的微观SEM图片；

图2是镁合金表面陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层的微观SEM图片；

图3是镁合金表面陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层的横截面SEM图片；

图4是镁合金表面陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层横截面对应EDS分析结果

图5是去离子水在陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层表面的静态接触角照片。

具体实施例

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的目的是开发一种在镁合金表面制备陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层的方法。为达到上述目的，本发明以AZ31B镁合金为基体，采用微弧氧化法在镁合金表面制备一层微弧氧化膜层，随后采用电化学沉积法在试样表面生成微纳米十六烷酸铈涂层，在镁合金表面制备具有微纳米结构的陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层。

实施例1(1)镁合金表面预处理：将镁合金基板裁剪为25mm×50mm×2mm的试样，再依次使用240#、600#、1000#、1500#、2000#的SiC砂纸对其表面进行机械打磨，然后将试样依次置入去离子水和无水乙醇中超声清洗10min，以去除表面的磨屑和油污,然后将试样取出并用冷风吹干；

(2)微弧氧化处理：配制3000mL含有0.08mol/L Na₂SiO₃、0.25mol/L NaF和0.015mol/L KOH的碱性混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，使pH值稳定在12.5-13，将步骤(1)预处理后的镁合金基体作为阳极在恒压条件下进行微弧氧化，基本参数如下：正向电压：275V；负向电压：0V；占空比10％；频率：500Hz；时间：12min；反应结束后用去离子水超声清洗5min，并将样品表面吹干，获得表面具有微弧氧化膜层的镁合金基体；

(3)电沉积处理：配制300mL无水乙醇及去离子水比例为5:1的含有0.1mol/L的CeN₃O₉·6H₂O、0.4mol/L的C₁₆H₃₂O₂混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，将步骤(2)所获得的微弧氧化镁合金基体作为阴极，石墨片作为阳极，进行电沉积处理，基本参数如下：电压：50V；时间：60min；温度：50℃；电极间距2cm。反应结束后将试样在去离子水中超声清洗3min，并将表面吹干，获得具有微纳米级粗糙结构的镁合金表面陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层。去离子水在该膜层表面的接触角为158.6°(图5)，滚动角为5°。

实施例2

(1)镁合金表面预处理：将镁合金基板裁剪为25mm×50mm×2mm的试样，再依次使用240#，600#，1000#，1500#，2000#的SiC砂纸对其表面进行机械打磨，然后将试样依次置入去离子水和无水乙醇中超声清洗10min，以去除表面的磨屑和油污,然后将试样取出并用冷风吹干；

(2)微弧氧化处理：配制3000mL含有0.08mol/L Na₂SiO₃、0.25mol/L NaF和0.015mol/L KOH的碱性混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，使pH值稳定在13，将步骤(1)预处理后的镁合金基体作为阳极在恒压条件下进行微弧氧化，基本参数如下：正向电压：300V；负向电压：0V；占空比10％；频率：500Hz；时间：12min；反应结束后用去离子水超声清洗5min，并将样品表面吹干，获得表面具有微弧氧化膜层的镁合金基体；

(3)电沉积处理：配制300mL无水乙醇及去离子水比例为5:1的含有0.05mol/L的CeN₃O₉·6H₂O、0.2mol/L的C₁₆H₃₂O₂混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，将步骤(2)所获得的微弧氧化镁合金基体作为阴极，石墨片作为阳极，进行电沉积处理，基本参数如下：电压：50V；时间：60min；温度：50℃；电极间距2cm。反应结束后将试样在去离子水中超声清洗3min，并将表面吹干，获得具有微纳米级粗糙结构的镁合金表面陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层。去离子水在该涂层表面的接触角为157.8°，滚动角为4°。

实施例3

(1)镁合金表面预处理：将镁合金基板裁剪为25mm×50mm×2mm的试样，再依次使用240#，600#，1000#，1500#,2000#的SiC砂纸对其表面进行机械打磨，然后将试样依次置入去离子水和无水乙醇中超声清洗10min，以去除表面的磨屑和油污，然后将试样取出并用冷风吹干；

(2)微弧氧化处理：配制3000mL含有0.08mol/L Na₂SiO₃、0.25mol/L NaF和0.015mol/L KOH的碱性混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，使pH值稳定在13，将步骤(1)预处理后的镁合金基体作为阳极在恒压条件下进行微弧氧化，基本参数如下：正向电压：325V；负向电压：0V；占空比10％；频率：500Hz；时间：12min；反应结束后用去离子水超声清洗5min，并将样品表面吹干，获得表面具有微弧氧化膜层的镁合金基体。

(3)电沉积处理：配制300mL无水乙醇及去离子水比例为5:1的含有0.05mol/L的CeN₃O₉·6H₂O、0.2mol/L的C₁₆H₃₂O₂混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，将步骤(2)所获得的微弧氧化镁合金基体作为阴极，石墨片作为阳极，进行电沉积处理，基本参数如下：电压：50V；时间：60min；温度：50℃；电极间距2cm。反应结束后将试样在去离子水中超声清洗3min，并将表面吹干，获得具有微纳米级粗糙结构的镁合金表面陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层。去离子水在该涂层表面的接触角为161°，滚动角为6°。

Claims (1)

1.一种在镁合金表面制备超疏水复合膜层的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)镁合金表面预处理：将镁合金基板裁剪为适当尺寸的试样，使用砂纸对其表面进行机械打磨，然后在但不仅限于无水乙醇中超声清洗，以去除表面的油污；

(2)微弧氧化处理：配制含有0.01-0.5mol/L Na₂SiO₃、0.1-1mol/L NaF和0.01-0.1mol/L KOH的碱性混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，使pH值稳定在10-13，将步骤(1)预处理后的镁合金基体作为阳极，阴极选用但不仅限于不锈钢，进行微弧氧化，微弧氧化工艺采用但不仅限于恒压模式；在恒压条件下进行微弧氧化时，基本参数如下：正向电压：200-450V；占空比10-50％；频率：200-600Hz；时间：5-60min；微弧氧化结束后在镁合金基体表面上获得陶瓷膜层；

(3)电沉积处理：配制无水乙醇及去离子水比例为5:1的含有0.01-0.3mol/L的CeN₃O₉·6H₂O、0.1-1.0mol/L的C₁₆H₃₂O₂混合溶液，并通过搅拌机充分搅拌使其混合均匀，将步骤(2)所获得的微弧氧化镁合金作为阴极，阳极选用但不仅限于石墨片，进行电沉积处理，基本参数如下：电压：10-100V；时间：10-60min；温度：20-60℃；反应结束后在镁合金表面获得具有微纳米级粗糙结构的陶瓷/十六烷酸铈超疏水复合膜层，去离子水在该复合膜层表面的接触角为157°～161°，滚动角为4～6°。