[發明專利]二氧化硅納米粒子分散于溶膠體系的溶膠凝膠涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201110396815.2
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102424961A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 于美;王強;劉建華;李松梅;詹中偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C20/08
• 分類號: C23C20/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種金屬材料的防腐膜層及制備方法，具體涉及一種二氧化硅無機納米粒子分散于溶膠體系的溶膠凝膠涂層及其制備方法，它特別適用于高強鋼的腐蝕防護。

背景技術

高強鋼在自然條件下極易發生腐蝕破壞，從而造成巨大的損失。傳統的高強鋼防護涂層有鎘和鋅金屬涂層、電鍍鎳和電鍍鉻涂層以及磷酸鹽轉化膜。

有機無機雜化的溶膠凝膠涂層作為一種新型的表面防護涂層，具有與金屬基體結合力強、對環境無危害和工藝流程簡單等優點，同時克服了無機涂層高脆性、高溫燒結等缺點，得到了廣泛研究。有機無機雜化的溶膠凝膠涂層制備的主要原料是硅烷，在溶膠配制過程中有機硅烷發生水解，生成大量反應活性很高的硅醇基團(Si-OH)。溶膠涂敷在金屬基團表面以后，硅醇基團之間發生縮聚反應生成Si-O-Si的空間網絡結構，而硅醇基團與金屬表面也發生反應，反應后通過Me-O-Si鍵連接，從而達到覆蓋金屬表面的效果。

金屬表面有機無機雜化的溶膠凝膠涂層包含有機和無機兩個部分，無機部分主要是Si-O-Si的空間網絡結構，是整個涂層的骨架部分，而有機部分主要由有機硅烷未發生水解的有機鏈段組成，該部分能夠很好的彌補無機涂層韌性差、易產生裂紋以及難以獲得較厚膜層等缺點。但同時，有機部分可能產生兩個缺點：1、涂層的綜合力學性能降低；2、表面的有機溶劑揮發后會殘留孔洞，影響其致密性和耐蝕性能。這二個缺點的解決方案通常是改變硅烷的加入種類或濃度，是水解后有機鏈段的種類和含量發生變化，改變有機與無機成分在涂層中的比例，從而提高涂層的綜合性能。

本發明從凝膠形核過程考慮，在溶膠體系中添加二氧化硅納米粒子以提高溶膠凝膠涂層的綜合性能。凝膠在基體上的形核和附著過程對溶膠凝膠涂層的致密性和耐蝕性能有重要的影響，通常情況下，水解后的硅烷發生部分縮聚反應后會形成納米尺度的顆粒，這些顆粒可以成為溶膠凝膠涂層形核的起始點。但是縮聚反應形成顆粒的數量會受到溶膠環境的影響，而顆粒的數量又會影響所形成涂層的均勻性和致密性。將納米尺度的無機納米粒子分散至溶膠體系中，為溶膠凝膠在金屬表面的形核提供更多的起始點，將有利于致密、均勻涂層的形成。

發明內容

本發明的目的是提供一種二氧化硅納米粒子分散于溶膠體系的溶膠凝膠涂層及其制備方法，將納米尺度的二氧化硅粒子分散到溶膠體系中，有利于凝膠的形核，從而形成完整、致密的涂層，為高強鋼提供一層物理屏障，從而抑制高強鋼上腐蝕反應的發生，提高高強鋼的耐蝕性能。同時這種涂層與傳統的有機涂層和有機-無機雜化涂層相比，具有較高的硬度，綜合力學性能較好。

本發明的溶膠凝膠膜層采用鈦酸四丁酯(TBT)(≥98wt.％)和γ-環氧丙氧丙基三甲氧基硅烷(GTMS)(≥98wt.％)作為前驅體，所使用試劑皆為分析純。

本發明采用無水乙醇作為溶劑。

本發明采用pH＝1的硝酸溶液作為催化劑，控制硅氧烷的水解和縮合速度。

本發明采用二氧化硅納米粒子作為外界摻雜加入到溶膠體系。

本發明中將二氧化硅納米粒子直接添加到配制好的溶膠體系中，攪拌均勻后，超聲振動促進粒子的分散。

具體實施步驟如下：

1)高強鋼的前處理

①打磨：采用砂紙打磨至800#；

②流動自來水洗；

③堿洗：氫氧化鈉70g/L；磷酸鈉30g/L；碳酸鈉30g/L；硅酸鈉30g/L，70～90℃浸漬7min；

④流動自來水洗；

⑤酸洗活化：鹽酸7g/L，室溫下浸漬45s；

⑥流動自來水洗。

2)溶膠的配制

①用量筒量取40ml無水乙醇，再量取40-60ml的GTMS與無水乙醇混合攪拌10分鐘；

②在混合好的無水乙醇和GTMS混合液中添加一定量的的二氧化硅納米粒子，配置成250-750mg/L的混合液；

③將稱量好的20ml鈦酸四丁酯加入到混合液中，封閉攪拌20分鐘；

④將上述混合物室溫下攪拌0.5小時，再超聲振動0.5小時促進納米粒子的分散；

⑤配置pH＝1的硝酸溶液，稱量20ml這種溶液，并逐滴加入到上述混合液中；

⑥室溫下封閉攪拌2h。

3)溶膠凝膠涂層的制備

①浸涂：將經過前處理的高強鋼試樣浸漬于配置好的溶膠體系中100-120s，然后以1-3mm/s的速度提取出來；

②表干：在空氣中放置10min左右，再置于60℃下放置10min；