[發(fā)明專利]一種碳鋼表面膦酸-硅烷復合膜及其制備方法和應用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910855080.1
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN112553609A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設計）人: 王吉會;王登;胡文彬
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: C23C22/50
• 分類號: C23C22/50;C23C22/68
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎;張靜

本發(fā)明提供一種碳鋼表面膦酸?硅烷復合膜及其制備方法和應用，將預處理后的碳鋼試樣垂直浸入膦酸處理液中，浸泡10?60min后取出，依次經(jīng)去離子水、無水乙醇沖洗、吹干處理后，即在碳鋼表面得到淡藍色的鋅?膦酸自組裝薄膜；將表面帶有鋅?膦酸自組裝薄膜的碳鋼試樣垂直浸入硅烷處理液中，浸泡1?10min后取出，在干燥箱中60?120℃干燥0.5?4h后，即在碳鋼表面制備出膦酸?硅烷復合膜。利用羥基乙叉二膦酸和鋅離子配制膦酸處理液，預先在碳鋼表面制備出一層自組裝膦酸薄膜；再經(jīng)過硅烷處理液處理，制備出膦酸?硅烷復合膜，進而提高碳鋼的耐蝕性能和使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳鋼表面處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種碳鋼表面膦酸-硅烷復合膜及其制備方法和應用。

背景技術(shù)

金屬的腐蝕與防護，是工業(yè)生產(chǎn)中密切需要關(guān)注的重大問題。表面處理，是鋼鐵材料防腐的重要手段。傳統(tǒng)的表面處理工藝，主要有磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜和鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜等。磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜，是通過化學或電化學處理在金屬表面形成一層主要為難溶磷酸鹽的化學轉(zhuǎn)化膜。磷化膜通常以多孔形式存在，可以顯著改善外涂層與金屬基質(zhì)的粘合性能。另外，由于磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜不導電、電化學狀態(tài)穩(wěn)定，故能降低金屬的腐蝕速率。鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜，是處理后在金屬表面形成的、主要含鉻酸鹽的化學轉(zhuǎn)化膜。鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜同樣可以隔離金屬基體與腐蝕介質(zhì)，穩(wěn)定金屬表面電化學狀態(tài)，提高外層有機涂層與金屬基體的結(jié)合力。但是無論是磷酸鹽還是鉻酸鹽，都對環(huán)境有很大的危害。如今，環(huán)境問題日益凸顯，亟需研發(fā)一種環(huán)境友好型的綠色表面處理技術(shù)替代傳統(tǒng)表面處理技術(shù)，減少金屬表面處理過中帶來的污染問題。

目前，對綠色表面處理技術(shù)的研究已有不少報道，主要有稀土鹽轉(zhuǎn)化膜、硅酸鹽轉(zhuǎn)化膜、溶膠凝膠膜和硅烷膜等技術(shù)。在眾多方法中，硅烷膜技術(shù)由于其性能優(yōu)異、工藝簡單且綠色環(huán)保，引起了眾多研究者的注意，有望在工業(yè)生產(chǎn)中取代磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜和鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜技術(shù)而成為新型的金屬表面處理技術(shù)。但是單一成分的硅烷膜厚度有限，致密度也較差，常常存在氣孔或者裂縫，處理后金屬表面耐腐蝕性能不夠理想。有研究發(fā)現(xiàn)，將一定量的正硅酸乙酯(TEOS)添加到硅烷液中能夠改善硅烷膜的成膜性能和耐腐蝕性能，TEOS與水反應生成Si-OH，并可以和其他基團發(fā)生縮合反應或者發(fā)生自縮合反應(劉敬春,趙衍濤,孫中浩,et al.40Cr鋼表面TEOS改進硅烷膜的制備及其耐腐蝕性能研究.表面技術(shù),2017,46(5):231-237.)。在鋁合金和鍍鋅板表面沉積硅烷膜或改性硅烷膜作為表面處理層具有很好的耐腐蝕效果，其性能已不亞于磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜和鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜(Lakshmi R V,Yoganandan G,Mohan A V N,et al.Effect of surface pre-treatment bysilanization on corrosion protection of AA2024-T3alloy by sol-gelnanocomposite coatings.SurfaceCoatings Technology,2014,240(3):353-360.)。

但對于當今工業(yè)生產(chǎn)中最重要的鋼鐵材料，硅烷處理技術(shù)卻往往不能獲得良好的耐蝕性能。在鋼鐵表面進行硅烷化，得到的硅烷膜厚度往往很薄，并且致密性也較差、不均勻，進而導致硅烷膜的性能無法滿足實際需求。硅烷分子在鋼鐵表面的附著與基體表面形成羥基化的氧化物層有密切關(guān)系。鐵表面活性位點較少，這是由于鐵表面形成羥基氧化物(FeOH)的pH范圍非常窄，并且在常規(guī)的酸洗、堿液除油、空氣中放置等預處理工序中，鐵表面形成的氧化物層多為疏松多孔，這也會導致后續(xù)附著沉積的硅烷薄膜也不致密。碳鋼表面是由多相組成的，各相間具有不同的化學及電化學活性，加之在酸洗及堿洗后表面組分與結(jié)構(gòu)更加不均，而某些物相(如高碳含量區(qū))表面難以被硅烷化，可能是導致最終形成的硅烷膜在表面呈不連續(xù)分布的主要原因。