一種不銹鋼材料表面處理及防污方法
【專利摘要】本發明公開了一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，通過制備微米級二氧化硅粉體，利用摻雜有氨基化改性微米級二氧化硅的水性丙烯酸復合涂層在基體表面構筑形成微/納米形貌，而不破壞基體材料表面，將復合涂層進一步與硬脂酸反應強化形成微/納米分級結構，使表面具有超疏水性能，制得的不銹鋼片涂層表面接觸角可達到152.8°，滾動角為8°，呈現出優異的防污性能。本發明方法簡單實用，原料來源廣泛，價格便宜，具有廣泛的工業應用價值。
【專利說明】
一種不銹鋼材料表面處理及防污方法
技術領域
[0001] 本發明屬于金屬表面處理和改性技術領域，具體涉及一種不銹鋼材料表面處理及 防污方法。
【背景技術】
[0002] 在化學工業、石油化工、原子能等工業中，金屬腐蝕不僅造成驚人的經濟損失，還 可能危害人民的健康，有的甚至會長期造成嚴重的后果。金屬腐蝕是金屬受到周圍介質的 作用發生化學變化，其中主要的介質就是水。因此，賦予金屬表面超疏水性能將會有效減緩 金屬的腐蝕。在日常生活中超疏水現象明顯表現在植物表面和一些動物和昆蟲的身體上， 如荷葉、水稻葉片、蚊子的眼睛、蝴蝶的翅膀、水黽的腿、飛蛾的眼睛等等。受自然界中生物 體超疏水性能的啟發，人造超疏水表面的設計和發展一直備受關注，而金屬超疏水表面除 了有防腐蝕性能外，還具有自清潔、減阻、防結冰等特性。隨著金屬材料在工農產業中的廣 泛應用，金屬基體超疏水表面也在基礎研究和工業應用中被廣泛開展起來。
[0003] 早在1997年，Barthlott和Neinhuis調查了 200多種疏水植物物種的表面特征，結 果表明，"荷葉效應"起源于微/納米復合材料的結構與低表面能的疏水性蠟的結合。受此啟 發，近年來制備超疏水表面的技術方法可以簡單劃分為兩類:一類是通過在具有低表面能 的基材上構筑粗糙結構；另一類是通過用低表面能材料修飾粗糙表面。對大多數金屬基材 比如鎂、鋁、鐵及其合金等而言，它們平滑的表面是親水的。因此，要賦予金屬基底超疏水 性，一方面必須在表面構筑粗糙結構，另一方面還要用低表面能物質進行表面修飾。這兩方 面既可以同時進行，也可以分多步進行。
[0004] 金屬超疏水表面具有很多寶貴的特性，在基礎研究和工業應用方面取得了 一定的 進展，但是用來制備超疏水金屬表面的方法都或多或少的存在著缺陷和不足，而且這些缺 陷在一定程度上限制了其在工業中的應用，要將金屬超疏水表面成功應用于工業生產中， 還需從以下幾點進行探索：
[0005] 1)優化超疏水表面的制備工藝:理論上制備超疏水表面應該盡量工藝簡單、環保、 成本低廉。噴涂法操作簡單，成本效益高，制備條件要求不苛刻，但在實際應用方面需要復 雜的準備工作。除此之外，蝕刻過程通常會持續幾分鐘到幾天，工藝過程復雜。
[0006] 2)超疏水表面薄層耐久性和穩定性能有待提尚:表面耐久性和穩定性的不足也是 大多數超疏水表面的一個共同的弱點，因而限制了其在戶外的應用前景。許多金屬超疏水 表面暴露于惡劣環境特別是有機溶劑和熱的液體后容易失去超疏水性，說明其化學穩定性 差;大多數報道稱噴涂生產的超疏水涂層對基底粘附性較差，可能是由硬顆粒的松動和彼 此之間的獨立引起的。目前用來提高噴涂涂料與基底之間粘附性的方法大致有兩種:一種 是在噴涂涂層后添加一種粘結劑，這種方法可以提高涂層的物理穩定性，但會導致疏水性 的下降，另一種方法是首先用所選材料和粘合劑構成混合物，然后噴涂到基板上，這種方法 最近的一些研究中已得到良好的效果。
[0007] 3)金屬表面處理工藝易于大規模生產且便于施工:金屬被用于工業生產的方方面 面，結構復雜，體積龐大，給超疏水表面的具體施工過程帶來不小的挑戰，部分技術如電化 學工藝對施工設備要求較高，不適合大面積操作;金屬構件表面易于修復且施工過程不能 對基體造成永久性損壞。化學腐蝕法和等離子體處理技術很容易對金屬基材產生永久性的 損壞。
[0008] 4)進一步拓展金屬表面處理工藝對不同金屬基底的廣泛適用性:要求金屬表面制 備工藝適用性能強，對不同的金屬基底具有廣泛適用性。現階段所制備的超疏水金屬表面 大多只適用于一種或有限的幾種金屬基底，適用性較弱；已制備成功的超疏水性的金屬表 面在被組裝和改造后仍不失其超疏水性能。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的在于針對現有技術存在的不足，提出一種不銹鋼材料表面處理及防 污方法，利用超疏水性表面進行防污處理。
[0010] 本發明具體通過以下技術方案進行：
[0011] -種不銹鋼材料表面處理及防污方法，具體包括以下步驟：
[0012] 步驟一:納米二氧化硅的改性
[0013] 1.1將干燥納米二氧化硅粉體置于無水乙醇中，超聲分散30min，制得分散液a;
[0014] 1.2將硅烷偶聯劑KH-550加入到乙醇和水的混合溶液中，用稀鹽酸調節pH至3-5之 間，常溫下磁力攪拌0 · 5h，制得水解液b;
[0015] 1.3將水解液b逐滴加入到裝有分散液a的三口燒瓶中，置于恒溫磁力水浴鍋中，升 溫至70°C，回流反應6h，用無水乙醇洗滌3次，于110°C烘箱內干燥2h后研磨，將研磨后的粉 末分散到蒸餾水中超聲震動l〇min，取下層沉淀物于110°C烘箱內干燥6h后，研磨過400目篩 得到改性的微米級二氧化硅粉體。
[0016] 步驟二:改性微米級二氧化硅在水性丙烯酸涂料中的分散
[0017] 2.1在水性丙烯酸涂料中加入蒸餾水進行稀釋，磁力攪拌lOmin得到均勻稀釋液；
[0018] 2.2將改性微米級二氧化硅添加到稀釋液中，超聲分散30min，使其充分分散；
[0019] 2.3將不銹鋼片表面打磨并用丙酮除油，無水乙醇去水，最后將丙烯酸/微米二氧 化硅涂層涂敷在薄片表面，在50°C下固化2h，制得不銹鋼片涂層樣品。
[0020] 步驟三:硬脂酸溶液的自組裝反應
[0021] 將制備好的不銹鋼片涂層樣品浸入到硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝反應，反應時 間為3h，反應完畢后再用乙醇和蒸餾水分別洗滌，常溫下干燥。
[0022] 進一步的：
[0023]本發明步驟1.1中所述的二氧化娃粉體與無水乙醇的質量體積比為1:4g/ml。
[0024]本發明步驟1.2中所述的硅烷偶聯劑KH-550的質量分數為二氧化硅粉體的10%。 [0025] 本發明步驟1.2中所述的乙醇和水的混合溶液中按體積比為3:1配置。
[0026] 本發明步驟2.1中所述的水性丙烯酸涂料與蒸餾水的質量比為10:1。
[0027] 本發明步驟2.2中所述的改性微米級二氧化硅以1.2 %的質量比添加到稀釋液中。 [0028]本發明步驟三中所述的硬脂酸乙醇溶液濃度為10%。
[0029]本發明的有益效果:本發明技術方案利用摻雜有氨基化改性微米級二氧化硅的水 性丙烯酸復合涂層在基體表面構筑形成微/納米形貌，而不破壞基體材料表面，將復合涂層 進一步與硬脂酸反應強化形成微/納米分級結構，使表面具有超疏水性能，制得的不銹鋼片 涂層表面接觸角可達到152.8°，滾動角為8°，呈現出優異的防污性能。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合實施例對本發明做進一步的說明，以下所述，僅是對本發明的較佳實施 例而已，并非對本發明做其他形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示 的技術內容加以變更為同等變化的等效實施例。凡是未脫離本發明方案內容，依據本發明 的技術實質對以下實施例所做的任何簡單修改或等同變化，均落在本發明的保護范圍內。
[0031] 本發明公開了一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，利用摻雜有氨基化改性微米 級二氧化硅的水性丙烯酸復合涂層在基體表面構筑形成微/納米形貌，而不破壞基體材料 表面，將復合涂層進一步與硬脂酸反應強化形成微/納米分級結構，使表面具有超疏水性 能。
[0032]具體技術方案為：
[0033]第一部分:納米二氧化硅的改性。
[0034]將一定質量的干燥納米二氧化硅粉體置于無水乙醇中，二氧化硅粉體與無水乙醇 的質量體積比為1: 4g/ml，超聲分散30min，制得分散液a;將硅烷偶聯劑KH-550(質量分數為 二氧化硅粉體的10% )加入到乙醇和水的混合溶液中（約12ml液體，體積比為3:1)，用稀鹽 酸調節pH至3-5之間，常溫下磁力攪拌0.5h，制得水解液b;將水解液b逐滴加入到裝有分散 液a的三口燒瓶中，置于恒溫磁力水浴鍋中，升溫至70°C，回流反應6h，后用無水乙醇洗滌3 次，于110°C烘箱內干燥2h后研磨，將研磨后的粉末分散到蒸餾水中超聲震動lOmin，取下層 沉淀物于ll〇°C烘箱內干燥6h后，研磨過400目篩得到改性的微米級二氧化硅粉體。
[0035] 第二部分:改性微米級二氧化硅在水性丙烯酸涂料中的分散。
[0036] 在水性丙烯酸涂料中加入蒸餾水(質量分數為水性丙烯酸涂料的10%)進行稀釋， 水性丙烯酸涂料與蒸餾水的質量比為10:1，磁力攪拌lOmin得到均勻稀釋液;將改性微米級 二氧化硅以0.5%、0.8%、1%、1.2%、1.5%、1.8%、2%的質量比添加到其中，超聲分散 30min，使其充分分散。將不銹鋼片表面打磨并用丙酮除油，無水乙醇去水，最后將丙烯酸/ 微米級二氧化硅涂層涂敷在薄片表面，在50°C下固化2h，制得不銹鋼片涂層樣品。
[0037]第三部分:硬脂酸溶液的自組裝反應。
[0038] 將制備好的不銹鋼片涂層樣品浸入到濃度為3%、5%、8%、10%、12%、15%的硬 脂酸乙醇溶液中進行自組裝反應，反應時間分別為lh、2h、3h、5h、1 Oh、15h、20h、24h、48h。反 應完畢后再用乙醇和蒸餾水分別洗滌，常溫下干燥。
[0039] 實施例1
[0040] -種不銹鋼材料表面處理及防污方法，具體包括以下步驟：
[0041 ]第一部分:納米二氧化硅的改性。
[0042]將一定質量(5g)的干燥納米二氧化娃粉體置于20ml無水乙醇中，超聲分散30min， 制得分散液a;將硅烷偶聯劑KH-550(質量分數為二氧化硅粉體的10% )加入到乙醇和水的 混合溶液中（約12ml液體，體積比為3:1)，用稀鹽酸調節pH至3-5之間，常溫下磁力攪拌 0.5h，制得水解液b;將水解液b逐滴加入到裝有分散液a的三口燒瓶中，置于恒溫磁力水浴 鍋中，升溫至70 °C，回流反應6h，后用無水乙醇洗滌3次，于110 °C烘箱內干燥2h后研磨，將研 磨后的粉末分散到蒸餾水中超聲震動lOmin，取下層沉淀物于110 °C烘箱內干燥6h后，研磨 過400目篩得到改性的微米級二氧化硅粉體。
[0043]第二部分:改性微米級二氧化硅在水性丙烯酸涂料中的分散。
[0044]在5g水性丙烯酸涂料中加入0.5g蒸餾水（質量分數為水性丙烯酸涂料的10%)進 行稀釋，磁力攪拌lOmin得到均勻稀釋液;將改性微米級二氧化硅以1.2%的質量比添加到 其中，超聲分散30min，使其充分分散。將不銹鋼片表面打磨并用丙酮除油，無水乙醇去水， 最后將丙烯酸/微米級二氧化硅涂層涂敷在薄片表面，在50°C下固化2h，制得不銹鋼片涂層 樣品。
[0045]第三部分:硬脂酸溶液的自組裝反應。
[0046]將制備好的不銹鋼片涂層樣品浸入到濃度為10%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組 裝反應，反應時間分別為3h。反應完畢后再用乙醇和蒸餾水分別洗滌，常溫下干燥即得。 [0047] 實施例2
[0048] 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，具體包括以下步驟：
[0049] 第一部分:納米二氧化硅的改性。
[0050] 將一定質量（l〇g)的干燥納米二氧化硅粉體置于40ml無水乙醇中，超聲分散 30min，制得分散液a;將硅烷偶聯劑KH-550(質量分數為二氧化硅粉體的10 % )加入到乙醇 和水的混合溶液中（約12ml液體，體積比為3:1)，用稀鹽酸調節pH至3-5之間，常溫下磁力攪 拌0.5h，制得水解液b;將水解液b逐滴加入到裝有分散液a的三口燒瓶中，置于恒溫磁力水 浴鍋中，升溫至70°C，回流反應6h，后用無水乙醇洗滌3次，于110°C烘箱內干燥2h后研磨，將 研磨后的粉末分散到蒸餾水中超聲震動lOmin，取下層沉淀物于110°C烘箱內干燥6h后，研 磨過400目篩得到改性的微米級二氧化硅粉體。
[0051 ]第二部分:改性微米級二氧化硅在水性丙烯酸涂料中的分散。
[0052]在10g水性丙烯酸涂料中加入lg蒸餾水(質量分數為水性丙烯酸涂料的10%)進行 稀釋，磁力攪拌lOmin得到均勻稀釋液;將改性微米級二氧化硅以1%的質量比添加到其中， 超聲分散30min，使其充分分散。將不銹鋼片表面打磨并用丙酮除油，無水乙醇去水，最后將 丙烯酸/微米級二氧化硅涂層涂敷在薄片表面，在50°C下固化2h，制得不銹鋼片涂層樣品。 [0053]第三部分:硬脂酸溶液的自組裝反應。
[0054]將制備好的不銹鋼片涂層樣品浸入到濃度為8%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝 反應，反應時間分別為2h。反應完畢后再用乙醇和蒸餾水分別洗滌，常溫下干燥即得。
[0055] 實施例3
[0056] 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，具體包括以下步驟：
[0057]第一部分:納米二氧化硅的改性。
[0058]將一定質量(5g)的干燥納米二氧化娃粉體置于20ml無水乙醇中，超聲分散30min， 制得分散液a;將硅烷偶聯劑KH-550(質量分數為二氧化硅粉體的10% )加入到乙醇和水的 混合溶液中（約12ml液體，體積比為3:1)，用稀鹽酸調節pH至3-5之間，常溫下磁力攪拌 0.5h，制得水解液b;將水解液b逐滴加入到裝有分散液a的三口燒瓶中，置于恒溫磁力水浴 鍋中，升溫至70 °C，回流反應6h，后用無水乙醇洗滌3次，于110 °C烘箱內干燥2h后研磨，將研 磨后的粉末分散到蒸餾水中超聲震動lOmin，取下層沉淀物于110 °C烘箱內干燥6h后，研磨 過400目篩得到改性的微米級二氧化硅粉體。
[0059] 第二部分:改性微米級二氧化硅在水性丙烯酸涂料中的分散。
[0060] 在5g水性丙烯酸涂料中加入0.5g蒸餾水（質量分數為水性丙烯酸涂料的10%)進 行稀釋，磁力攪拌lOmin得到均勻稀釋液;將改性微米級二氧化硅以1.5%的質量比添加到 其中，超聲分散30min，使其充分分散。將不銹鋼片表面打磨并用丙酮除油，無水乙醇去水， 最后將丙烯酸/微米級二氧化硅涂層涂敷在薄片表面，在50°C下固化2h，制得不銹鋼片涂層 樣品。
[0061] 第三部分:硬脂酸溶液的自組裝反應。
[0062] 將制備好的不銹鋼片涂層樣品浸入到濃度為12%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組 裝反應，反應時間分別為5h。反應完畢后再用乙醇和蒸餾水分別洗滌，常溫下干燥即得。
[0063] 實施例4
[0064] 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，具體包括以下步驟：
[0065]第一部分:納米二氧化硅的改性。
[0066]將一定質量(5g)的干燥納米二氧化娃粉體置于20ml無水乙醇中，超聲分散30min， 制得分散液a;將硅烷偶聯劑KH-550(質量分數為二氧化硅粉體的10% )加入到乙醇和水的 混合溶液中（約12ml液體，體積比為3:1)，用稀鹽酸調節pH至3-5之間，常溫下磁力攪拌 0.5h，制得水解液b;將水解液b逐滴加入到裝有分散液a的三口燒瓶中，置于恒溫磁力水浴 鍋中，升溫至70 °C，回流反應6h，后用無水乙醇洗滌3次，于110 °C烘箱內干燥2h后研磨，將研 磨后的粉末分散到蒸餾水中超聲震動lOmin，取下層沉淀物于110 °C烘箱內干燥6h后，研磨 過400目篩得到改性的微米級二氧化硅粉體。
[0067]第二部分:改性微米級二氧化硅在水性丙烯酸涂料中的分散。
[0068]在5g水性丙烯酸涂料中加入0.5g蒸餾水（質量分數為水性丙烯酸涂料的10%)進 行稀釋，磁力攪拌lOmin得到均勻稀釋液;將改性微米級二氧化硅以0.5%的質量比添加到 其中，超聲分散30min，使其充分分散。將不銹鋼片表面打磨并用丙酮除油，無水乙醇去水， 最后將丙烯酸/微米級二氧化硅涂層涂敷在薄片表面，在50°C下固化2h，制得不銹鋼片涂層 樣品。
[0069]第三部分:硬脂酸溶液的自組裝反應。
[0070]將制備好的不銹鋼片涂層樣品浸入到濃度為3%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝 反應，反應時間分別為lh。反應完畢后再用乙醇和蒸餾水分別洗滌，常溫下干燥即得。
[0071] 實施例5
[0072] 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，制備過程同實施例4,不同之處在于將改性 微米級二氧化硅以0.8%的質量比添加到丙烯酸涂料的稀釋液中；將制備好的不銹鋼片涂 層樣品浸入到濃度為5%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝反應，反應時間為2h。
[0073] 實施例6
[0074] 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，制備過程同實施例2,不同之處在于將改性 微米級二氧化硅以1.8%的質量比添加到丙烯酸涂料的稀釋液中；將制備好的不銹鋼片涂 層樣品浸入到濃度為15%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝反應，反應時間為10h。
[0075] 實施例7
[0076] 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，制備過程同實施例2,不同之處在于將改性 微米級二氧化硅以2%的質量比添加到丙烯酸涂料的稀釋液中；將制備好的不銹鋼片涂層 樣品浸入到濃度為12%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝反應，反應時間為15h。
[0077] 實施例8
[0078] 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，制備過程同實施例2,不同之處在于將改性 微米級二氧化硅以3%的質量比添加到丙烯酸涂料的稀釋液中；將制備好的不銹鋼片涂層 樣品浸入到濃度為10%的硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝反應，反應時間為20h。
[0079] 實施例9對比試驗
[0080]將影響本發明處理方法的因素:二氧化硅粒子的添加量、硬脂酸乙醇溶液濃度、自 組裝反應時間進行單因素分析，具體數據見表1~3。
[0081] 當硬脂酸濃度為10%，自組裝反應時間為3h時，接觸角隨微米級二氧化硅粒子的 添加量變化數據如下：
[0082] 表1接觸角隨微米級二氧化硅粒子的添加量變化
[0084]當微米級二氧化硅粒子的添加量為1.2%，自組裝反應時間為3h時，接觸角隨硬脂 酸乙醇溶液濃度變化數據如下：
[0085]表2接觸角隨硬脂酸乙醇溶液濃度變化
[0087] 當硬脂酸濃度為10%，微米級二氧化硅粒子的添加量為1.2%，接觸角隨自組裝反 應時間變化的數據如下：
[0088] 表3接觸角隨自組裝反應時間變化
[0090]由表1~3數據綜合考慮，本發明的最佳條件為本改性微米級二氧化硅以1.2%的 質量比添加到稀釋液中；硬脂酸乙醇溶液濃度為10% ;自組裝浸泡反應時間為3h。
【主權項】
1. 一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:納米二氧化硅的改性 1.1將干燥納米二氧化硅粉體置于無水乙醇中，超聲分散30min，制得分散液a; 1.2將硅烷偶聯劑KH-550加入到乙醇和水的混合溶液中，用稀鹽酸調節pH至3-5之間， 常溫下磁力攪拌0 · 5h，制得水解液b; 1.3將水解液b逐滴加入到裝有分散液a的三口燒瓶中，置于恒溫磁力水浴鍋中，升溫至 70°C，回流反應6h，用無水乙醇洗滌3次，于110°C烘箱內干燥2h后研磨，將研磨后的粉末分 散到蒸餾水中超聲震動lOmin，取下層沉淀物于110°C烘箱內干燥6h后，研磨過400目篩得到 改性的微米級二氧化硅粉體； 步驟二:改性微米級二氧化硅在水性丙烯酸涂料中的分散 2.1在水性丙烯酸涂料中加入蒸餾水進行稀釋，磁力攪拌lOmin得到均勻稀釋液； 2.2將改性微米級二氧化硅添加到稀釋液中，超聲分散30min，使其充分分散； 2.3將不銹鋼片表面打磨并用丙酮除油，無水乙醇去水，最后將丙烯酸/納米二氧化硅 涂層涂敷在薄片表面，在50°C下固化2h，制得不銹鋼片涂層樣品； 步驟三:硬脂酸溶液的自組裝反應 將制備好的不銹鋼片涂層樣品浸入到硬脂酸乙醇溶液中進行自組裝反應，反應時間為 3h，反應完畢后再用乙醇和蒸餾水分別洗滌，常溫下干燥。2. 根據權利要求1所述的一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，其特征在于，步驟1.1 中所述的二氧化硅粉體與無水乙醇的質量體積比為1: 4g/ml。3. 根據權利要求1所述的一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，其特征在于，步驟1.2 中所述的硅烷偶聯劑KH-550的質量分數為二氧化硅粉體的10%。4. 根據權利要求1所述的一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，其特征在于，步驟1.2 中所述的乙醇和水的混合溶液中按體積比為3:1配置。5. 根據權利要求1所述的一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，其特征在于，步驟2.1 中所述的水性丙烯酸涂料與蒸餾水的質量比為10:1。6. 根據權利要求1所述的一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，其特征在于，步驟2.2 中所述的改性微米級二氧化硅以1.2%的質量比添加到稀釋液中。7. 根據權利要求1所述的一種不銹鋼材料表面處理及防污方法，其特征在于，步驟三中 所述的硬脂酸乙醇溶液濃度為10%。
【文檔編號】C09D133/00GK106046980SQ201610489625
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】王力, 趙歡, 周圣文
【申請人】山東科技大學