CN105568243B - 一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳纳米材料制备技术领域，涉及一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法，先以天然石墨为原料，通过氧化还原法制备得到石墨烯粉末，然后对石墨烯粉末进行冷冻干燥备用，再将石墨烯粉末放在压片机中压成石墨烯薄膜，然后石墨烯薄膜放置在不锈钢基底的上方，石墨烯薄膜作为离子溅射的靶材，采用高能离子枪对石墨烯薄膜进行离子溅射，经过离子溅射后石墨烯薄膜被打碎从而均匀沉积覆盖在不锈钢样品的表面，在不锈钢样品表面制得石墨烯防腐涂层；制备的石墨烯防腐涂层均匀，厚度易于控制，使用的装置简单，制备效率高，能耗低，防腐性能优越。

Description

一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法

技术领域：

本发明属于碳纳米材料制备技术领域，涉及一种离子溅射法制备石墨烯防腐涂层的工艺，特别是一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法，制备的石墨烯涂层防腐性能优异。

背景技术：

石墨烯是一种新型碳材料，具有优异的导热与导电性、高透光率、高强度，还具有原料丰富、毒性小、生物相容性等诸多优势，在药物载体、储能、传感器制备、光学、催化等领域具有极大的应用价值。不锈钢具有较好的强度、较高的耐磨性等优良的特性，因此广泛应用于管道，公用设施，高速公路等生活的各个方面。每年中国因不锈钢腐蚀，而蒙受的经济损失高达上千亿元，因此通过涂层来强化不锈钢的防腐性能来降低经济损失成为一种必要措施。目前关于强化不锈钢防腐性能方法的报道很多，主要包括锌、铬、粘土类材料的包覆等，这些被应用的材料往往对环境和人体有一定的伤害或有吸水性，一般难以实现大范围的应用和高效的防腐。因此，探索一种快速、简单、廉价、无毒、隔绝水和空气的高效涂层制备非常有必要，离子溅射法相对于电化学法等其它方法具有装置和制作过程简单等优势，是近些年发展起来的制备高质量薄膜的一种非常重要的方法,它具有其它技术无法比拟的优点,在制膜过程中,沉积速度慢、膜的厚度及质量容易控制。因此，综合石墨烯材料本身优异的防腐性能和离子溅射法高质量薄膜的制备，寻求一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法，在涂层的制备过程中，石墨烯片层被破碎变小，可实现更高程度的密实堆积，使不锈钢达到高效的隔水和绝气。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术和原材料存在的缺点，寻求设计提供一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法，基于离子溅射法制备石墨烯防腐涂层，制备出的石墨烯防腐涂层具有稳定、高效、毒性小、隔绝水和空气等优点，可强化不锈钢的防腐性能。

为了实现上述目的，本发明制备石墨烯防腐涂层的工艺具体包括以下步骤：

(1)、以天然石墨为原料，通过氧化还原法制备得到石墨烯粉末，然后对石墨烯粉末进行冷冻干燥，先将0.1g石墨、0.3g高锰酸钾,和90ml浓硫酸混合后在30摄氏度反应12个小时得到氧化石墨，将得到的氧化石墨离心洗涤后溶解于200ml蒸馏水中，然后加入100微升水合肼，在95摄氏度下还原2小时后对得到的样品进行离心、冷冻干燥，得到石墨烯粉末；

(2)、将石墨烯粉末放在压片机中，以30Mpa的压力将石墨烯粉末压成石墨烯薄膜；

(3)、将步骤(2)制备的石墨烯薄膜放置在不锈钢基底的上方，石墨烯薄膜作为离子溅射的靶材，采用高能离子枪对石墨烯薄膜进行离子溅射，经过离子溅射后石墨烯薄膜被打碎从而均匀沉积覆盖在不锈钢样品的表面，在不锈钢样品表面制得石墨烯防腐涂层，其中离子溅射的加速电压设置为300V，在沉积过程中氩气的气压和流速分别为0.04Pa和4cm³/min，溅射时间设置为1h、2h、3h或5h。

本发明所述氧化法为改进的HUMMERS法，还原法是通过水合肼还原剂进行彻底还原。

本发明通过对所得的石墨烯防腐涂层采用不同手段进行表征，所采用的手段包括扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)。

本发明通过电化学工作站，以极化曲线和电化学阻抗等电化学方法，对材料的防腐性能进行检测，具有石墨烯防腐涂层的样品的极化曲线正向偏移，腐蚀电流减小，同时电化学阻抗变大，这表明防腐性能的提高，不锈钢的腐蚀速率由0.019mm/year降低为0.00138mm/year，减小了12.76倍。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是制备的石墨烯防腐涂层均匀，厚度易于控制，使用的装置简单；二是制备效率高，完成一次反应的时间较短，仅需30-60min；三是能耗低，石墨烯制作原料价格低廉，离子溅射能耗低；四是石墨烯防腐涂层在不锈钢表面堆积紧密，防腐性能优越，腐蚀速率由0.019mm/year降低为0.00138mm/year，减小了12.76倍，并且不锈钢防腐效率能够保持90％以上；五是将石墨烯防腐涂层应用于不锈钢防腐性能的强化，制备稳定，可重现，效率高，制备的碳量子点质量好，性能稳定。

附图说明：

图1为本发明制备石墨烯防腐涂层的装置结构原理示意图，其中包括高能离子枪、石墨烯薄膜、不锈钢基底。

图2为本发明制备的石墨烯防腐涂层的SEM图(D)、纯不锈钢的SEM图(A和B)以及不锈钢表面有防腐涂层和没有防腐涂层的对比图(C)。

图3为本发明制备的具有石墨烯防腐涂层的不锈钢样品和纯不锈钢样品的XPS图。

图4为本发明实施例具有防腐涂层的不锈钢样品和纯不锈钢样品TAFEL曲线图(A)、腐蚀速率图(B)、开路电压图(C)和防腐效率图(D)。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例制备石墨烯防腐涂层的工艺具体包括以下步骤：

(1)、以天然石墨为原料，通过氧化还原法制备得到石墨烯粉末，然后对石墨烯粉末进行冷冻干燥，先将0.1g石墨、0.3g高锰酸钾,和90ml浓硫酸混合后在30摄氏度反应12个小时得到氧化石墨，将得到的氧化石墨离心洗涤后溶解于200ml蒸馏水中，然后加入100微升水合肼，在95摄氏度下还原2小时后对得到的样品进行离心、冷冻干燥，得到石墨烯粉末；

(2)、将石墨烯粉末放在压片机中，以30Mpa的压力将石墨烯粉末压成石墨烯薄膜；

(3)、将步骤(2)制备的石墨烯薄膜放置在不锈钢基底的上方，石墨烯薄膜作为离子溅射的靶材，采用高能离子枪对石墨烯薄膜进行离子溅射，经过离子溅射后石墨烯薄膜被打碎从而均匀沉积覆盖在不锈钢样品的表面，在不锈钢样品表面制得石墨烯防腐涂层，其中离子溅射的加速电压设置为300V，在沉积过程中氩气的气压和流速分别为0.04Pa和4cm³/min。

本实施例控制离子溅射的时间分别为2h、3h和5h，从而实现防腐涂层厚度的控制，实验结果显示，3h时，防腐涂层厚度适宜，防腐效果达到最佳效果。

Claims (1)

1.一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)、以天然石墨为原料，通过氧化还原法制备得到石墨烯粉末，然后对石墨烯粉末进行冷冻干燥，先将0.1g石墨、0.3g高锰酸钾,和90mL 浓硫酸混合后在30摄氏度反应12个小时得到氧化石墨，将得到的氧化石墨离心洗涤后溶解于200mL 蒸馏水中，然后加入100微升水合肼，在95摄氏度下还原2小时后对得到的样品进行离心、冷冻干燥，得到石墨烯粉末；

(2)、将石墨烯粉末放在压片机中，以30MPa 的压力将石墨烯粉末压成石墨烯薄膜；

(3)、将步骤(2)制备的石墨烯薄膜放置在不锈钢基底的上方，石墨烯薄膜作为离子溅射的靶材，采用高能离子枪对石墨烯薄膜进行离子溅射，经过离子溅射后石墨烯薄膜被打碎从而均匀沉积覆盖在不锈钢样品的表面，在不锈钢样品表面制得石墨烯防腐涂层，其中离子溅射的加速电压设置为300V，在沉积过程中氩气的气压和流速分别为0.04Pa和4cm³/min，溅射时间设置为1h、2h、3h或5h。