钢铁表面超疏水膜的制备与表征

钢铁表面超疏水膜的制备与表征

葛圣松;李娟;邵谦;刘青云

【摘要】采用水热法结合氟硅烷修饰直接在钢铁表面制备超疏水膜。疏水膜的疏水性与钢铁基底的微纳米结构有重要关系。结果表明,以乙二胺为溶剂,经140℃水热反应4h和160℃水热反应5h,可以在钢铁表面制得具有次级网状结构的正八面体、花状等微纳米精细结构,再经氟硅烷修饰后表现出良好的超疏水性,与水滴的接触角分别达到156.49和165.31°。XRD的分析结果表明,该微纳米结构的主要成分是Fe3O4,它的形成一方面提供了制备超疏水表面所必须的微纳米精细结构,另一方面又为与氟硅烷发生反应生成牢固的薄膜创造了条件。电化学分析结果表明,超疏水膜层的存在显著降低了钢铁基底的腐蚀倾向。%Superhydrophobic films were prepared on steel substrate using hydrothermal method combined with modification of fluorinated silane. The hydrophbility of hydrophobic films is related to the micro-nano fine structures of the steel substrate. The results showed that octahedron-like, flower-like micro-nano hierarchical structures had grown on steel surface, which were fabricated by hydrothermal reactions in an ethylenediamine solution at 140℃ for 4h as well as at 160℃ for 5h. After m odified by fluorinated silane, the treated surface exhibited superhydrobicity with water contact angles of 156.49 and 165.31°, respectively. The result of X-ray diffraction pattern indicated that the main component of the micro-nano structure was Fe304. The formation of Fe3 04 provides micro-nano fine structures that is necessary to prepare hydrophobic surface, and provides conditions which tight films were formed by reacted with fluorinated silane. Electrochemical tests

showed that the anti-corrosion property of steel was improved effectively by the superhydrophobic films.

【期刊名称】《功能材料》

【年(卷),期】2012(043)005

【总页数】5页(P645-649)

【关键词】水热反应;钢铁;微纳米结构;超疏水;氟硅烷

【作者】葛圣松;李娟;邵谦;刘青云

【作者单位】山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266590;山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266590;山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266590;山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266590

【正文语种】中文

【中图分类】O647.5;TG178

在固体表面构建超疏水膜可以赋予材料许多优异性能，如防腐、防污、抗粘、自清洁、抗氧化等［1，2］。钢铁作为一种广泛应用的金属材料，在工农业生产中占有非常重要的地位，而每年因钢铁腐蚀造成的经济损失不可估量。若在钢铁表面构建超疏水膜，则能减缓钢铁腐蚀，具有重要的实际意义。

固体表面的润湿性主要由其表面能和表面微结构特征共同决定［3］，即使采用具有最低表面能的氟硅烷分子修饰的光滑表面，与水的接触角也只能达到120°［4］。荷叶疏水效应机制即表明了其疏水性不但取决于它的表面化学物质的表面能，更与它表面的微纳米精细结构有关［5，6］。因此制备超疏水材料一般采用两种手段：（1）在材料表面构建微纳米结构［7，8］；（2）在具有微纳米精细

结构的材料表面修饰低表面能物质［9，10］。对于第二种，常采用氟硅烷修饰；而对于微纳米精细结构的制备，可采用阳极氧化法［11－13］、化学刻蚀法［14，15］、电化学沉积法［16］、气相沉积法［17］、溶胶－凝胶法［18，19］、水热法［20，21］等。这些方法多见于铜、铝、锌等金属表面的超疏水膜制备，而

直接在钢铁表面制备超疏水膜的报道甚少。

本文尝试了采用操作简单的化学刻蚀法和制备纳米材料常用的水热法直接在钢铁表面制备微纳米结构，然后再经氟硅烷修饰制备超疏水膜。结果显示，用水热法结合氟硅烷修饰制得的超疏水膜接触角更大，这与用水热法更容易在钢铁表面制得微纳米精细结构有关。故本文重点优化了用水热法在钢铁表面制备微纳米精细结构的条件，分析了超疏水膜的疏水原理，并对具有超疏水膜的钢铁进行了电化学分析。

乙二胺，分析纯（天津天泰精细化学品有限公司）；无水乙醇，分析纯（莱阳经济技术开发区精细化工厂）；氟硅烷C8F17SO2NHCH2CH2CH2Si（OCH2CH3）3，工业级（武汉博莱特化工有限公司）；水热反应釜（聚四氟乙烯内衬）；钢铁片（冷轧钢，10.5cm×4.5cm×0.1 cm）。

将钢铁片裁剪成规格为1cm×1cm的小片，经除油液清洁后吹干放入水热反应釜，注入20～25mL浓度为3.75mol/L的乙二胺溶液，然后拧紧反应釜，放入烘箱逐渐升温至所需温度，反应数小时后取出，自然冷却至室温。

氟硅烷、无水乙醇、蒸馏水按质量比2∶3∶45混合均匀，超声分散30min，室温下水解5h，将经前处理后的钢铁片置于水解液中12h自组装成膜，取出用乙醇和蒸馏水各冲洗3次，吹干后测接触角。

试样的表观形貌由KYKY－2800B型扫描电子显微镜观察；试样表面微纳米结构的物相组成由D/MAX2500PC型X射线衍射仪测定；水滴在试样表面的接触角由DSA100型全自动表面张力仪测定；试样的极化曲线由LK2500型电化学工作站

测量，电解池采用标准的三电极体系，试样为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，