Al2O3超疏水薄膜的制备及其耐腐蚀研究.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnAl2O3超疏水薄膜的制备及其耐腐蚀研究**刘盛友，刘长松（青岛理工大学机械学院，青岛266520）5摘要：采用溶胶凝胶法在铝基底上制备Al2O3涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和接触角测量仪对制备的Al2O3涂层进行成分、微观结构以及润湿性能的分析；利用电化学工作站对样品的耐腐蚀性能进行测量，从而对薄膜的腐蚀防护性能进行研究。结果表明：制备的Al2O3涂层经低表面能物质改性后对去离子水的接触角达到153.2°，具有高疏水性与较低粘附性；Al2O3薄膜提高了铝基底的耐海水腐蚀性，对空白基底的缓蚀10率达到97.9%。关键词：疏水性；溶胶凝胶法；Al2O3涂层；耐腐蚀中图分类号：TG174.4FabricationofAl2O3SuperhydrophobicsurfaceanditsStudyofAnti-corrosionresistance15LIUShengyou,LIUChangsong(CollegeofMechanicalEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266520)Abstract:Sol-gelmethodwasusedtoprepareAl2O3coatingonthealuminumsubstrate.Chemicalcomposition,physicalmorphologyandwettabilityofAl2O3coatingswereanalyzedbyX-raydiffraction(XRD),scanningelectronmicroscopy(SEM)andcontactanglemeasuringsystem.Also,20Electrochemicalworkstationwasusedtostudythecorrosionresistanceandanti-corrosionpropertyofsamples.Theresultsshowthataftermodifiedbylowsurfaceenergymaterials,thepreparedAl2O3coatinghashighhydrophobicityandlowadhesion,andthecontactanglecanbereached153.2°.Al2O3filmimprovedtheseawatercorrosionresistanceofaluminumsubstrate,comparedwiththeuntreatedsample,thecorrosioninhibitionratecanreach97.9%.25Keywords:hydrophobicity;sol-gelmethod;Al2O3coating;corrosionresistance0引言[1]腐蚀遍及国民经济各个部门，给国民经济带来巨大的损失，提高材料的耐腐蚀能力显得非常重要，涂覆涂层是一种很好的办法。30采用溶胶凝胶法在各种材料上制备薄的疏水涂层，溶胶凝胶法能够在大面积，任意形状上用常规的涂层方法如喷涂、旋涂、浸涂、流动涂层等制备涂层。如果结合一些基底表面处理技术，我们可以在几乎所有类型的固体基底上涂覆涂层，包括玻璃、石英、金属、陶瓷、[2]石材、塑料、人造橡胶和布等。TadanagaK等利用仲丁醇铝作为原料制备高透超疏水表面较为昂贵且有机醇盐对身体有害，Fu等采用无机盐作为原料的新型溶胶凝胶法制备的氧化[3][4]35铝膜成本极低。作者简介：刘盛友（1993-），男，硕士研究生，主要研究方向是纳米材料通信联系人：刘长松，(1973-)男，教授，主要研究方向是纳米材料.E-mail:cal@qtech.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn我们探索了自然界中动植物对水的排斥现象，将超疏水运用到生活中对金属的腐蚀防护中来，进一步提高涂层对金属的保护作用，利用氧化铝溶胶成功的在铝金属表面制备了超疏[5]水涂层并对其耐腐蚀性能进行了探究。本文用无机盐AlCl3·6H2O和无水乙醇为原料制备氧化铝溶胶，用旋涂法在铝基底上涂40覆涂层，通过控制沸水刻蚀时间并经HDS（十六烷基三甲氧基硅烷）改性，在基底上制备[6]了具有不同疏水性能的氧化铝薄膜，并进行了腐蚀防护性能研究。1实验部分1.1实验材料石油醚（C7H16，90-120沸程），无水乙醇（CH3CH2OH，质量分数≥99.7%），去离子水45（H2O，TDS≤1），结晶三氯化铝（AlCl3·6H2O，含量≥97%），乙酰丙酮（C5H8O2，含量≥99%），十六烷基三甲氧基硅烷（C19H42O3Si），铝（Al，纯度99%）。1.2薄膜制备预先制备溶胶，将结晶三氯化铝与适量无水乙醇混合并充分搅拌使配制成溶液，再将乙酰丙酮缓慢滴加到上述溶液中搅拌1h，使得结晶三氯化铝、无水乙醇、乙酰丙酮比例为1:20:2，[4]50最后50℃水浴条件下搅拌1h。将尺寸为3cm×3cm×0.1cm的铝片用240#-1200#的砂纸打磨，依次用石油醚、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，最后氮气吹干。将处理后的铝片放置在旋涂仪中，设置旋涂仪为低速400r/s旋转时间12s；高速2000r/s旋转时间50s，用微量移液器取10µl氧化铝溶胶，在旋涂仪低速时缓慢将溶液滴到铝基底表面。旋涂结束后，将样品放入马弗炉中以2℃/min的加热速度加热到480℃并保温90min，待随炉冷却到40℃后取55出，将样品悬在沸腾的去离子水（沸水，≥99.5℃）中刻蚀，然后将样品再次放入马弗炉中[7]480℃保温60min，待随炉冷却到40℃后取出，最后用化学气相沉积法沉积一层HDS。1.3测试与表征利用扫描电子显微镜(SEM，HitachiS-3500N)表征Al2O3薄膜的表面形貌；利用X射线衍射仪(XRD)对Al2O3薄膜的成分和结构进行分析；用接触角测量仪(JC2000C1B)测量Al2O360薄膜的疏水性能，接触角为随机测量的5个点的平均值，液滴体积为8μL。利用电化学工作站（辰华CHI660E）对样品进行电化学阻抗和极化曲线的测试，采用的是三电极系统（对电极为铂丝电极，参比电极为饱和甘汞电极），设置电化学阻抗谱的测量范围参数为0.1Hz~100kHz，正弦扰动电压为20mV，极化曲线扫秒速率为1mV/s，测试之[8][9][10]前，样品在3.5%NaCl溶液(模拟海水)中浸泡8h。652结果与讨论2.1表面形貌与成分分析-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2.1.1铝基SEM分析70图1不同刻蚀时间Al2O3薄膜的SEM图:(a)0min;(b)5min;(c)10min;(d)15min;(e)20min.Fig.1TheSEMfigureofAl2O3thinfilmafterdifferentetchingtime:(a)0min;(b)5min;(c)10min;(d)15min;(e)20min.75众所周知，超疏水表面需具备两个条件，合理的表面结构与较低的表面能，因此我们通过沸水刻蚀来改变表面涂层的结构，并用化学气相沉积的方法在表面沉积一层低表面能物质HDS。图1是在沸水中刻蚀0min、5min、10min、15min、20min时，样品表面的SEM图。从图中可以看出样品表面的涂层为具有一定间距，形状不规则的柱状体。刻蚀时间不同，所得80薄膜表面上柱的致密度和柱径（任意选取一定长度的直线，直线经过柱的长度为该柱的柱径）均匀度不同，随着刻蚀时间的延长，柱的致密度增加，而在20min致密度与均匀度有所下降。对去离子水的接触角与涂层上柱体的致密度和柱径均匀度有关，在15min时接触角最大为[11]153.2°，我们用平均跨度因数这一参数来表征膜表面柱状体的致密度与柱径均匀度，经计算平均跨距因数Sf(=D/P，D为柱径，P为两柱中心点距离)在刻蚀15min时达到最大0.6295。85同时计算发现跨距因数0.58