基于金屬銅的超疏水涂層防腐蝕能力研究

趙田帥 王程昊 喬利臣

【摘? 要】銅作為一種延展性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性都較高的一種金屬，在我國(guó)各個(gè)方面和場(chǎng)所都應(yīng)用極多，也因此每年我國(guó)銅的腐蝕情況也是極為嚴(yán)重的，造成了巨大的損失。銅的腐蝕也成為必須要解決的問(wèn)題。對(duì)銅進(jìn)行超疏水涂層處理在如今具有很大的研究潛力。本文主要基于金屬銅的超疏水涂層的防腐蝕能力進(jìn)行深入研究，著重深入探討了影響金屬銅超疏水涂層的防腐蝕能力的的相關(guān)因素，以及緩解金屬銅超疏水涂層腐蝕的方法和思路。

【關(guān)鍵詞】金屬銅;超疏水表面;防腐蝕

1.銅的應(yīng)用及銅的腐蝕

銅，元素符號(hào)Cu，元素周期表中位列第二十九位，金屬銅具有非常好的延展性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性，因此銅最常用于電力領(lǐng)域和建筑領(lǐng)域。然而銅的金屬性相較于銀和金更加活潑，所以銅更加容易被腐蝕。尤其是在水中特別是海水。大量的銅被O腐蝕使得銅的使用壽命大大縮短，使用范圍也被局限在一定領(lǐng)域內(nèi)。因此，如何防止、抑制或減緩銅的腐蝕成為了目前熱門的研究課題。

在這些年許多學(xué)者的研究之下，給金屬穿上一層“衣服”即超疏水涂層成為非常有潛力、前景較好的防腐蝕方法。我國(guó)學(xué)者有人已經(jīng)通過(guò)一步電鍍法在 鎂錫鋅合金上制備得到超疏水涂層，并證明了涂層防腐蝕性能非常優(yōu)秀。還有人通過(guò)簡(jiǎn)單的噴涂方法在鋁基板上生成彩色超疏水涂層，對(duì)該涂層在3. 5% 氯化鈉溶液中的耐久性及防腐蝕性驚醒了研究。這些年來(lái)，對(duì)基于金屬銅的基于金屬銅的超疏水涂層防腐蝕能力研究的報(bào)道層出不窮，我國(guó)已有學(xué)者制備出了氧化銅微納分子層超疏水表面，其在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中表現(xiàn)非常穩(wěn)定。具體方法是通過(guò)氧化來(lái)使得銅表面形成了微納凸起的氧化銅作為超疏水涂層，雖然有較好的抗腐蝕能力，但是缺點(diǎn)也很明顯，我們無(wú)法具體控制氧化銅的生長(zhǎng)。我國(guó)還有其他學(xué)者利用溶液浸漬法在銅金屬表面上構(gòu)建了一層Cu（ OH） 2 超疏水涂層，并且此過(guò)程可以認(rèn)為控制，但是缺點(diǎn)也非常明顯，Cu（ OH） 2性質(zhì)不穩(wěn)定。雖說(shuō)基于金屬銅的超疏水涂層研究有很多，但是對(duì)其的防腐蝕能力的研究卻較少。

因此，本研究對(duì)數(shù)種基于金屬銅制備的超疏水涂層的防腐蝕能力進(jìn)行了深入的研究，探討了這幾種超疏水涂層的在各種環(huán)境下的抗腐蝕能力以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.材料與方法

2.1材料與試劑

實(shí)驗(yàn)所用材料為含銅量99. 9%的銅片，各種目數(shù)的砂紙;

實(shí)驗(yàn)所用試劑為氯化鈉、無(wú)水乙醇、鹽酸、超純水、丙酮;

以上所用實(shí)驗(yàn)試劑由國(guó)家集團(tuán)化學(xué)試劑優(yōu)先公司提供。

2.2金屬銅的超疏水涂層的制備

本次研究金屬銅的超疏水涂層的制備方法采用的是溶液浸漬法得到氧化銅的超疏水涂層。

溶液浸漬法：將準(zhǔn)備的長(zhǎng)寬高分別為4*2*1（cm）的銅材料用砂紙打磨干凈，然后將其放入到準(zhǔn)備好的丙酮溶液中超聲清洗十分鐘，再放入到無(wú)水乙醇中超聲清洗十分鐘，最后在超純水中清洗十分鐘，用氮?dú)飧稍锉砻?，在環(huán)境溫度25℃的情況下，將下銅片放入 2. 0 mol /L 氫氧化鈉 和 0. 15 mol /L 的過(guò)硫酸銨混合水溶液中浸漬，之后依次用乙醇和超純水將銅片清洗干凈。待其干燥后，放入氮?dú)獗Ｗo(hù)的加熱爐中進(jìn)行固態(tài)脫水處理。150 ℃加熱三小時(shí)，然后在200 ℃持續(xù)三小時(shí)，待其冷卻至25 ℃時(shí)將干燥好的銅片放入 0. 1 ml氟硅烷和 9. 9 ml 乙醇 的混合溶液中，在黑暗處放置十二小時(shí)，之后用無(wú)水乙醇充分清洗，然后在100 ℃干燥箱中干燥一小時(shí)，最終得到金屬銅超疏水涂層成品。

2.3超疏水涂層耐腐蝕能力研究

對(duì)超疏水銅表面進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜掃描得到的圖像可知，銅的表面能被有效的降低了。將純銅和處理后得到超疏水表面的銅放入3. 5%的氯化鈉溶液中，利用相關(guān)儀器和軟件測(cè)得其動(dòng)電位極化曲線。在根據(jù)此曲線導(dǎo)出Ecorr與Icorr。

我們可以根據(jù)此圖看出沒(méi)有經(jīng)過(guò)超疏水涂層處理的Ecorr與Icorr分別為-0.259V和6.516×10-5A/cm2。相比之下，進(jìn)行了超疏水涂層處理的Ecorr與Icorr分別為-0.115V和6.220×10-7 A/cm2。經(jīng)過(guò)超疏水處理的腐蝕電流密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純銅，而腐蝕電位卻要遠(yuǎn)大于純銅。這就是經(jīng)過(guò)超疏水處理的不容易被腐蝕。當(dāng)經(jīng)過(guò)處理的銅在氯化鈉溶液中時(shí)，其表面的超疏水微納結(jié)構(gòu)隔絕了溶液中的離子與金屬銅的接觸，相當(dāng)于有著一層空氣將兩者隔絕開，所以不容易造成腐蝕。因?yàn)榻?jīng)過(guò)超疏水處理的銅表面腐蝕電流密度較小，所以銅表面就不容易被腐蝕，就越耐腐蝕。所以經(jīng)過(guò)該處理的銅比純銅腐蝕的速率要低很多。我們可以得出，超疏水表面的銅材在離子溶液中極其耐腐蝕。

2.4濕潤(rùn)性測(cè)試

為了研究這兩種銅材料的濕潤(rùn)性，我們對(duì)兩種銅材料進(jìn)行了接觸角的測(cè)量，如下圖所示，未經(jīng)處理的純銅是親水的，接觸角為88.23°。進(jìn)行了超疏水處理后得到氧化銅表面的接觸角為157.75°，其屬性顯示是超疏水，水滴在其表面非常不容易擴(kuò)散。我們還對(duì)其超疏水涂層表面的前進(jìn)接觸角和后退接觸角進(jìn)行了測(cè)定，這兩個(gè)角度都大于150°。這說(shuō)明了經(jīng)過(guò)超疏水處理后得到的氧化銅疏水表面的確擁有了超疏水濕潤(rùn)性。

2.5不同天氣環(huán)境測(cè)試

為了進(jìn)一步測(cè)試超疏水涂層的耐腐蝕能力，我們將經(jīng)過(guò)處理的銅材和未出處理純銅進(jìn)行不同的天氣環(huán)境測(cè)試，實(shí)驗(yàn)環(huán)境是將兩種材料放在3. 5%的氯化鈉溶液然后置于模擬的不同天氣中。一般條件下，純銅會(huì)自然的發(fā)生緩慢的氧化，在其表面氧化為一層黑色的氧化銅薄膜，一般來(lái)說(shuō)，這層氧化銅薄膜會(huì)隔絕氧氣，阻止銅的繼續(xù)氧化，但是在某些天氣或環(huán)境下，氧化銅薄膜就無(wú)法起到防止氧化的作用。Z0.01Hz是一個(gè)能用來(lái)判斷涂層緩解腐蝕能力的參數(shù)，當(dāng)純銅暴露在天氣20天后，Z0.01Hz的值在5.07×103 到 1.38×103Ω·cm-2的范圍之內(nèi)。與純銅比較之下，經(jīng)過(guò)超疏水處理的銅材在暴露一天后Z0.01Hz的值是比純銅的高六個(gè)數(shù)量級(jí)，其表面的微納結(jié)構(gòu)可以有效的阻止空氣中的水分和氧氣與銅接觸。當(dāng)在大氣中暴露時(shí)間為二十天時(shí)，其值也要比純銅高三百多倍。面對(duì)一般環(huán)境中的灰塵、水分，純銅非常容易腐蝕，而表面形成了氧化銅超疏水的的銅就更能保護(hù)銅不被腐蝕。

3.結(jié)語(yǔ)

本研究本文首先采用溶液浸漬法制備了氧化銅的超疏水涂層，探索了所制備的超疏水涂層的抗腐蝕能力。面對(duì)銅容易被腐蝕的缺點(diǎn)，采用溶液浸漬的方法，在銅材表面制備了低表面能的超疏水涂層，然后對(duì)制備的氧化銅超疏水涂層進(jìn)行耐腐蝕的研究。在溫度較高的濕潤(rùn)天氣下純銅會(huì)在其表面生成一層氧化銅的保護(hù)膜，這層膜可以保護(hù)銅不被繼續(xù)腐蝕，但是海水環(huán)境下，這層保護(hù)膜會(huì)很快失效失去了保護(hù)作用，而且還會(huì)加劇周遭環(huán)境對(duì)銅的腐蝕效果，而且海水中含有氯離子，也會(huì)形成其他的腐蝕產(chǎn)物，其他的腐蝕產(chǎn)物并不會(huì)像氧化銅那樣保護(hù)銅材不被腐蝕。采用了溶液浸漬法在銅材表面制備了氧化銅涂層，經(jīng)過(guò)在在天氣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了超疏水涂層可有效延長(zhǎng)對(duì)銅材的保護(hù)時(shí)間。在對(duì)兩種才來(lái)進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)顯示，超疏水涂層對(duì)銅的保護(hù)效果很明顯。

本研究通過(guò)制備超疏水涂層，并應(yīng)用于銅材的防腐蝕研究，采用了物理和化學(xué)的方法對(duì)其防腐蝕進(jìn)行了研究，但是對(duì)于超疏水涂層的研究很片面，還有很多的不足之處，實(shí)驗(yàn)還需要改進(jìn)。本文在驗(yàn)證超疏水涂層的抑制腐蝕方面采用了浸泡試驗(yàn)和大氣暴露試驗(yàn)，但是還缺乏其他方面的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于超疏水涂層還應(yīng)考慮涂層自然環(huán)境下的自修復(fù)性能。本文采用的溶液浸漬法制備的涂層均存在著涂層低粘度的缺點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)不足還應(yīng)重新研究新的實(shí)驗(yàn)，或者通過(guò)采用新的技術(shù)，使得氧化銅超疏水涂層在銅表面結(jié)合更加緊密。從目前情況來(lái)看，超疏水涂層還有很大的發(fā)展?jié)摿?，還有很多的新方法沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，本文可以給后來(lái)的研究者提供一定的參考。

作者簡(jiǎn)介：趙田帥（1989.10-），男，河南安陽(yáng)人，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，本科生。

王程昊（2000.09-），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，本科生。

喬利臣（1999.10-），男，山西大同人，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，本科生。