CN104911644A - 一种钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法，属于电沉积领域。本发明首先将钢基体放入到不含平整剂和光亮剂的硫酸锌水溶液中进行两步电沉积处理：第一步电沉积在钢基体表面上得到尺寸较大的粗糙结构，第二步电沉积在尺寸较大的微结构基础上得到了尺寸相对较小的微细结构，进而形成了微纳米粗糙结构；然后对此含有微纳米粗糙结构镀锌层的钢试样进行氟化处理来降低其表面能，获得超疏水功能表面。蒸馏水与该功能表面的接触角超过150°，滚动角小于10°，达到了超疏水性。此超疏水镀锌层表面不仅具有传统镀锌层的耐蚀性同时具有自清洁性，为电沉积工艺打开了一个新的应用领域。该方法易于操作，价格低廉，基体形状不受限制，易于推广使用。

Description

一种钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法，具体涉及钢基体表面两步电沉积处理及低能修饰，进而实现钢材表面的超疏水性。

背景技术

自“荷叶效应”的奥秘被一些研究者发现，超疏水性引起了人们极大的兴趣和广泛的关注，并且超疏水表面在日常生活和工农业生产中具有重要的作用，如：具有疏水性的餐具、纺织品、船只、太阳能电池板等。为此，越来越多的人开始探究各种方法来制备超疏水表面，并发现制备超疏水表面的方法主要归结为两种：一种是提高疏水性材料表面的粗糙度，另一种是对具有粗糙结构的表面进行低能修饰，其中，后者是最为常用的方法。

目前已经有不少关于超疏水表面制备方法的报道。但是大多数方法涉及到的基体为棉纤维、玻璃、硅片、镁及镁合金、铝及铝合金等少数材料，钢基体上超疏水表面的制备相对较少。另外，许多制备方法，如定向刻蚀、气/液相沉积、模板技术、溶胶凝胶等，存在制备条件苛刻、所需成本较高等问题，限制了这些方法的推广及大面积使用。

传统的电沉积工艺大都是改善基体材料的外观，赋予材料表面一定的物理化学性能等，所形成的表面大都需要平整光亮。超疏水表面通常需要微纳米的粗糙结构，所以，电镀液中不加平整剂和光亮剂反而有助于形成微细的粗糙结构。另外，不同的电沉积工艺参数会得到不同的表面微结构。锌通常作为一些金属材料的阳极性镀层，对基体金属提供机械保护和电化学保护。如果在镀锌层上制备超疏水表面，得到的超疏水表面不仅具有耐蚀性，同时还具有一定的自清洁性，会进一步扩大电镀层的应用范围。纳米电镀([日]，渡辺辙，化学工 业出版社，2006，9)报道了不同电沉积参数下镀锌层表面的形貌，并得出：电沉积时间延长(镀层越厚)，镀层的微凸体***。因此，用两步电沉积来实现微纳米复合结构：第一步采用较长时间的电沉积形成尺寸较大的微结构，第二步采用较短时间的电沉积在原有尺寸较大的微结构上形成尺寸较小的微结构。

本发明通过简单的两步电沉积过程在钢基体表面构建微纳米结构，并结合低能修饰，形成超疏水表面。此表面不仅具有耐蚀性，同时还具有一定的自清洁性，且工艺过程简单，成本低，实用性较强，适合大面积推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单的钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法。

本发明钢基体上的超疏水功能表面是由两步电沉积锌层和低能修饰共同实现的。

一种钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法，其特征在于该方法依次包括以下几个步骤：

1)依次用600#-2000#的金相水砂纸打磨钢试样表面至光滑，以提高电沉积锌层与钢基体表面的结合力，超声清洗并干燥，同时锌试样也依次用600#-2000#的金相水砂纸打磨表面至光滑；

2)将上述打磨好的钢试样在碱洗液中除油15min(60℃)，然后在酸洗液中酸洗活化10s(室温)，快速用大量清水冲洗并干燥；

3)上述酸洗活化的钢试样为阴极，打磨好的纯锌板为阳极，在硫酸锌水溶液中进行两步电沉积，得到微纳米的粗糙结构表面，见图1；

4)将含有粗糙结构镀锌层的钢试样放入到全氟辛酸无水乙醇溶液中浸泡一定时间，取出后放入培养皿中，在室温条件下晾干得到超疏水表面。

5)步骤1)中所用的钢试样为X90管线钢；

6)步骤2)所用的碱洗液是NaOH(30g/L)、Na₂CO₃(20g/L)、Na₃PO₄(20g/L)和Na₂SiO₃(10g/L)组成的混合水溶液；酸洗液是体积分数为10％的H₂SO₄水溶液；

7)步骤3)所述的电镀液为180-260g/L的ZnSO₄﹒7H₂O水溶液(体积分数为10％的H₂SO₄调节电镀液的pH≈4，不含平整剂和光亮剂)；

8)步骤3)所述的电镀工艺参数如下：电镀液温度为15-75℃；第一步电沉积的电流密度为2-6A/dm²，电沉积时间为15-40min；到达设定好的时间后，快速将电流调整为9-11A/dm²进行第二步电沉积，电沉积时间为1-20min；反应结束后快速用大量清水冲洗去除表面残留液体并干燥；

9)步骤5)中所述的全氟辛酸无水乙醇的浓度为0.005-0.02mol/L，浸泡时间为3-13天。

本发明经过第一步电沉积在钢材表面形成尺寸较大的粗糙结构，然后经过第二步电沉积在原有的微结构基础上形成尺寸相对较小的粗糙结构，从而构成微纳米复合结构；最后用全氟辛酸无水乙醇溶液进行低能修饰，得到超疏水表面。将蒸馏水滴到处理完的钢表面进行接触角测定，此表面与水的接触角大于150°。

本发明具有以下优点：

1)所使用的方法是传统的电沉积工艺，所需设备价格低廉，对试样的形状和尺寸没有特殊要求；

2)原料便宜易得。以钢材为原料，经过两步电沉积和低能修饰，制备超疏水表面；

3)所有的工艺过程都在溶液中进行，且操作简单，适合大面积推广；

4)所制得的超疏水表面也可推广到其他金属表面，因而适用范围较广、在 工业和生活中具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例中X90管线钢超疏水镀锌层的SEM照片；

图2是水滴在X90管线钢超疏水镀锌层表面上的接触角，大小为152.36°。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。

一种钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法，具体由以下几个步骤完成：

1、用600#-2000#的金相水砂纸打磨光滑X90管线钢和纯锌板试样表面，然后分别丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗5分钟并干燥；

2、用绝缘胶带黏住不需要电镀的管线钢试样表面，然后将钢试样依次进行碱洗除油15min(60℃，30g/L的NaOH、20g/L的Na₂CO₃、20g/L的Na₃PO₄、10g/L的Na₂SiO₃组成的混合水溶液)、酸洗活化10s(室温，体积分数为10％的H₂SO₄)，取出后用大量清水洗并快速干燥；

3、上述处理好的管线钢试样为阴极，纯锌板为阳极，在240g/L的ZnSO₄﹒7H₂O水溶液中(体积分数为10％的H₂SO₄调节电镀液的pH≈4)进行电镀，电镀液温度为25℃，电流密度为4A/dm²，电沉积时间为30min，到达设定好的时间后，快速将电流调整为9A/dm²进行第二步电沉积，电沉积时间为3min；反应结束后快速用大量清水冲洗去除表面残留液体并干燥；其表面形貌呈现微纳米粗糙结 构，见图1；

4、将步骤3得到的管线钢试样放入到0.01mol/L的全氟辛酸无水乙醇溶液中浸泡11天，取出后放入培养皿中，在室温条件下晾干得到超疏水表面。经测定，该表面与蒸馏水的静态接触角为152.36°，见图2，且滚动角小于10°。

Claims (4)

1.一种钢材表面上超疏水镀锌层的制备方法，其特征在于该方法依次包括以下两个步骤：1)对钢材表面进行两步电沉积处理，在钢材表面上得到微纳米粗糙结构的镀锌层；2)将表面含有微纳米粗糙结构镀锌层的试样进行低能修饰。

2.根据权利要求1所述的制备方法，两步电沉积处理其特征在于：打磨光滑的钢材依次经过碱洗、酸洗后作为阴极，打磨光滑的纯锌板作为阳极，在180-260g/L的ZnSO₄﹒7H₂O水溶液(体积分数为10％的H₂SO₄调节电镀液的pH≈4)中进行两步电沉积处理，反应结束后用大量清水冲洗去除表面残留液体并干燥。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：电镀液温度为15-75℃；第一步电沉积的电流密度为2-6A/dm²，电沉积时间为15-40min；到达设定好的时间后，快速将电流调整为7-11A/dm²进行第二步电沉积，电镀时间为1-20min；反应结束后快速用大量清水冲洗去除表面残留液体并干燥。

4.根据权利要求1所述的制备方法，低能修饰的特征在于：得到含有镀锌层的钢试样放入到0.005-0.02mol/L全氟辛酸无水乙醇溶液中浸泡3-13天，取出后放入到培养皿中，在室温条件下晾干得到超疏水表面。