專利名稱：一種制備超疏水鎂合金表面的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬表面處理領(lǐng)域，涉及到一種制備超疏水鎂合金表面的工藝方法。背景鎂合金是實用金屬中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其比重僅為鋁的2/3、鐵的1/4。由于鎂合金具有低比重、高強度比和良好的減振性能，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如汽車和航空工業(yè)。然而，由于鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，標(biāo)準(zhǔn)電極電位很負，導(dǎo)致鎂合金的耐腐蝕性很差，在環(huán)境中極易發(fā)生陽極腐蝕，因此限制了其在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。到目前為止，已有多種方法被用于提高鎂合金的耐腐蝕性。其中，研究人員發(fā)現(xiàn)，接觸角大于150°且滾動角小于10°的超疏水表面具有很好的耐腐蝕能力，能夠有效抑制鎂合金的腐蝕。雖然，金屬基體超疏水表面的制備方法已有很多，但應(yīng)用于鎂基體的卻鮮有報道。 2007年，Liang等首次報道了通過微弧陽極氧化和化學(xué)修飾法制備出鎂基體仿生超疏水表面，但超疏水性能卻有待提高，其接觸角僅大于150°，滾動角僅小于8° (Liang, J. ；Guo, Z.G. ；Fang, J. ；Hao，J. C. Chemistry Letters 2007，36，416-417)。2008 年，Jiang 等通過化學(xué)刻蝕和超薄氟硅烷涂層的修飾制備出鎂-鋰合金基體超疏水表面(Liu，K. S. ；Zhang, Μ. L. ；Zhai, J. ；Wang, J. Jiang, L. Applied Physics Letters 2008，92，183103) 。 M胃， 該方法的加工效率較低，需要約14個小時的加工時間。2010年，Wang等通過硫酸和雙氧水刻蝕以及硬脂酸修飾在純鎂上加工出了超疏水表面(Wang，Y. H. ；Wang, W ；Zhong, L.； Wang, J. Jiang, Q. L. ；Guo, Χ. Y. Applied Surface Science 2010，256，3837—3840) ；Yin 等通過硝酸和硝酸銅混合液刻蝕以及正辛基三乙氧基硅烷修飾在AZ31鎂合金上制備出了 lai^/JC^ffl (Yin, B. ；Fang, L. ；Hu, J. ；Tang, A. Q. ；Wei, W. H. ；He, J. Applied Surface Science 2010，257，1666-1671)。這兩種方法的加工效率較高，但由于使用了強酸，因此在反應(yīng)過程中會有刺激性氣味的產(chǎn)生，對操作人員和環(huán)境的危害較大。同年，日本的科學(xué)家 Ishizaki等通過將鎂合金浸泡在硝酸鈰溶液中，制備出了覆蓋有氧化鈰薄膜的超疏水表面 (Ishizaki, Τ. ；Saito, N. Langmuir 2010，26，9749-9755)。盡管與強酸相比，氧化鈰對人體和環(huán)境的危害要小很多，但氧化鈰是助燃劑、對人體皮膚有刺激作用，且能長時間沉積在地下水中，進而對環(huán)境造成一定的危害。2011年，Wang等通過采用150°C的尿素浸泡和氟硅烷修飾，成功在鎂合金基體上構(gòu)筑了超疏水表面(Wang，J. ；Li, D.D. ；Gao, R. ；Liu, Q.； Jing, X. Y. ；Wang, Y. L. ；He, Y. ；Zhang, Μ. L. Materials Chemistry andPhysics 2011, 129，154-160)。然而，該方法所需的加工時間較長，需26小時，且還需加熱等輔助措施。 同年，Ishizaki等介紹了一種熱水浸泡法來加工鎂合金基體超疏水表面(Ishizaki，Τ.； Sakamoto, Μ. Langmuir2011，27，2375-2381)，但仍存在加工時間長等問題。因此，使用一種高效、環(huán)保、安全、無毒的方法制備出穩(wěn)定的鎂基體超疏水表面就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種簡單高效而且成本低的制備超疏水鎂合金表面的工藝方法，該方法先基于電化學(xué)加工方法，采用移動式陰極在鎂合金表面上構(gòu)筑二元微納米粗糙結(jié)構(gòu)，再通過具有低表面能的十三氟辛基三乙氧基硅烷修飾來獲得超疏水性。本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括如下步驟 (1)將金屬鎂合金板清洗除油，然后進行機械拋光，再使用去離子水超聲波清洗， 吹干；(2)將清洗干凈的鎂合金板固定于陽極夾具上并作為陽極，將面積尺寸小于鎂合金板的金屬板固定于陰極夾具上并作為陰極，通過電解液循環(huán)系統(tǒng)使陰陽極之間充滿電解液；所采用的電解液為0. 05mol/L lmol/L的NaCl水溶液、NaBr水溶液或Na2SO4水溶液；(3)通過可調(diào)直流電源控制流過陰陽極的電流，通過進給控制系統(tǒng)控制陰極的運動軌跡，該陰極的運動軌跡即為陽極鎂合金板表面各個部位的加工次序；以恒電流模式進行電化學(xué)加工，鎂合金表面每個部位的加工時間與電流密度的乘積應(yīng)大于400min -mA/cm2, 且陰極的掃描方式可采用連續(xù)掃描和斷續(xù)掃描兩類；(4)將加工后的鎂合金板放入十三氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中進行修飾， 取出后干燥即可得到超疏水鎂合金表面。按質(zhì)量百分比，十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液的濃度最好大于0. 01 %，修飾時間最好大于20min。本發(fā)明與現(xiàn)有的超疏水表面制備技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(1)本發(fā)明的工藝方法得到的超疏水鎂合金表面對水的接觸角大于160°，水滴在材料表面的滾動角不大于2°，表面具有很好的自清潔性。在空氣中具有很好的穩(wěn)定性， 在環(huán)境中放置數(shù)月后其表面超疏水性無變化。(2)本發(fā)明的工藝方法得到的超疏水鎂合金表面具有很好的耐腐蝕性，顯著提高了原基底的耐腐蝕能力，在3. 5%的氯化鈉水溶液中的自腐蝕電流密度比未處理的鎂合金小3個數(shù)量級。(3)本發(fā)明的工藝方法可加工出比陰極尺寸大2倍以上的超疏水鎂合金表面。(4)在保證每個部位的加工時間與電流密度的乘積不變的前提下，可以通過提高電流密度來減小鎂合金板每個部位的加工時間，進而可以減小整個鎂合金板的加工時間， 因而本方法具有極高的加工效率。(5)所用的電解液為中性鹽溶液，無需強酸、強堿，對環(huán)境和操作人員的危害小。(6)電解液成本低且可重復(fù)使用。


圖1為實施例1的實驗裝置示意圖。圖2為實施例1制備的超疏水鎂合金表面。圖3為圖2中水滴的放大照片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。實施例1(1)先將尺寸為120mmX IlOmm的鎂合金板(實際加工尺寸為120mmX90mm，多余
部分起裝夾和導(dǎo)電作用)用無水乙醇清洗除油，然后進行機械拋光，去除鎂合金表面的氧化層和缺陷，再使用超聲波清洗5min，并用吹風(fēng)機吹干。
(2)將清洗干凈的鎂合金板固定于陽極夾具上并作為陽極，將尺寸為40mmX30mm 的銅板(實際有效尺寸為30mmX 30mm，多余部分起裝夾和導(dǎo)電作用)固定于陰極夾具上并作為陰極，陰陽極間的間距為16mm。通過由電解液箱、泵、節(jié)流器、流量計、導(dǎo)管和過濾器組成的電解液循環(huán)系統(tǒng)使陰陽極之間充滿0. 2mol/L的NaCl水溶液。(3)通過可調(diào)直流電源控制流過陽極的電流為1. 8A，通過由步進電機和滾珠絲杠組成的進給系統(tǒng)控制銅板陰極的運動軌跡，該銅板陰極的運動軌跡即為陽極鎂合金板表面各個部位的加工次序。當(dāng)陰極在工件表面掃過時，正對著陰極的工件表面部分的金屬就會發(fā)生電化學(xué)溶解，銅板陰極在每個軌跡處停留的時間為5min，隨著陰極的掃描，工件表面被逐漸腐蝕，最終得到了具有二元微納米粗糙結(jié)構(gòu)的鎂合金表面。加工完后，將鎂合金板用去離子水多次沖洗。(4)將具有二元微納米粗糙結(jié)構(gòu)的鎂合金表面放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的十三氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡45min，取出后將其放入80°C烘箱內(nèi)干燥20min，取出后自然冷卻至室溫，即可得到超疏水表面。水滴在鎂合金表面的接觸角為165.2°，滾動角為
2° 。
權(quán)利要求
1. 一種制備超疏水鎂合金表面的工藝方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將金屬鎂合金板清洗除油，然后進行機械拋光，再使用去離子水超聲波清洗，吹干；(2)將清洗干凈的鎂合金板固定于陽極夾具上并作為陽極，將面積尺寸小于鎂合金板的金屬板固定于陰極夾具上并作為陰極，通過電解液循環(huán)系統(tǒng)使陰陽極之間充滿電解液； 所采用的電解液為0. 05mol/L 1 mol/L的NaCl水溶液、NaBr水溶液或Na2SO4水溶液；(3)通過可調(diào)直流電源控制流過陰陽極的電流，通過進給控制系統(tǒng)控制陰極的運動軌跡，該陰極的運動軌跡即為陽極鎂合金板表面各個部位的加工次序；以恒電流模式進行電化學(xué)加工，鎂合金表面每個部位的加工時間與電流密度的乘積大于400min ·ηιΑ/(:πι2，且陰極的掃描方式采用連續(xù)掃描和斷續(xù)掃描兩類；(4)將加工后的鎂合金表面放入十三氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中進行修飾，取出后干燥即得超疏水鎂合金表面；按質(zhì)量百分比，十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液的濃度大于0. 01%，修飾時間大于20min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備超疏水鎂合金表面的工藝方法，(1)先將金屬鎂合金板清洗除油，然后進行機械拋光，再使用去離子水超聲波清洗，吹干；(2)將清洗干凈的鎂合金板固定于陽極夾具上并作為陽極，將面積尺寸小于鎂合金板的金屬板固定于陰極夾具上并作為陰極，通過電解液循環(huán)系統(tǒng)使陰陽極之間充滿電解液；(3)在陰陽極兩端通入恒定電流，并通過進給控制系統(tǒng)實現(xiàn)陰極在陽極鎂合金板上的掃描，進而在鎂合金板上加工出二元微納米粗糙結(jié)構(gòu)；(4)電化學(xué)加工后的鎂合金表面經(jīng)低表面能材料修飾后即可得到超疏水鎂合金表面。本發(fā)明具有操作工藝簡單、可控性好、污染小、成本低、無需酸堿等優(yōu)點，適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號C25D11/30GK102286768SQ201110264159
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者孫晶, 宋金龍, 徐文驥, 王續(xù)躍 申請人:大連理工大學(xué)