[发明专利]一种硅烷膜的电沉积制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及金属工件的防护层，尤其涉及一种硅烷膜的电沉积制备方法及其用途。

背景技术

众所周知，在自然界中，除了极少量惰性金属，如金、铂能稳定存在外，其余绝大多数金属及其合金都会发生腐蚀。每年由于腐蚀而造成的经济损失，占一个国家GDP的3-5％左右。传统的金属表面防护处理技术如铬酸盐钝化和磷酸盐转化都对自然环境很不友好，如六价铬离子有很强的毒性并易致癌，而磷酸盐则会造成水体富营养化。  

随着高涨的全球环保呼声，金属表面硅烷化处理技术逐步受到人们的关注，该技术所用试剂合成简单，成本较低，且对环境友好，是一种理想的表面处理技术。传统的硅烷膜制备一般采取浸涂的方法，配好一定比例的醇/水/硅烷溶液，预水解一定时间后生成一定量的硅醇，将金属试样浸泡其中几十秒至几十分钟后取出吹干，再经一定温度下固化即可。而电沉积硅烷膜则是对浸泡在硅烷溶液中的金属试样表面施加一定的负电位，导致金属表面局部溶液的pH值升高，有利于硅醇的缩聚反应，形成更稳定的硅烷成键方式、提高硅烷膜的致密性，从而增强硅烷膜的耐蚀性。发明人所在课题组(Progress in Organic Coatings,2007,58:265-271)在先期研究中发现，当采用电沉积技术制备防护性的硅烷膜时，应尽可能地仅使氧气发生还原生成OH^-，而应避免在更负电位下进行阴极沉积，即避免水发生分解生成对硅烷膜有害的H₂。然而，遗憾的是通常状况下氧气在本体水溶液中的溶解度非常有限。

在以往的案例中，薄层液膜技术被用于研究并模拟金属的大气腐蚀。研究表明，当金属表面水溶液的液膜厚度减薄至毫米量级时，金属的腐蚀速度显著提高。原因是，空气中的氧气可很容易通过薄层液膜扩散至金属基体，补充基体表面溶液中的氧气含量，加速金属的腐蚀(Y.L.Cheng et al, Corrosion Science, 2004,46:1649–1667)。

发明内容

本发明的目的是针对现有电沉积硅烷膜技术的问题与不足，提供一种硅烷膜的电沉积制备方法及其用途。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

硅烷膜的电沉积制备方法的步骤如下：

1) 依次加入40～100mL有机溶剂、10～200mL去离子水、1～30mL硅烷，用醋酸调节pH至3～6，充分搅拌均匀，置于25～40^oC恒温水浴中预水解0.5～48小时，得到硅烷预水解液，待用；  

2) 搭好薄液膜装置，并通过水平仪调整金属工作面至水平后，加入硅烷预水解液，金属基体为工作电极，围绕多圈环状铂丝作为对电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，金属基体依次经400、600、800号金相砂纸打磨后，放入除油液中于30～60^oC下超声5～60分钟，用自来水冲去电极表面残留除油液，去离子水冲洗电极表面后吹干置于干燥器中，待用；

3) 薄液膜控制厚度为100～5000 μm，对工作电极施加-0.5～-1.4V的负电位，沉积时间为30s～30min，后立即将试样取出，用氮气吹去金属基体表面残余的硅烷预水解溶液，放入60～120^oC干燥箱内固化0.5～5小时。

所述硅烷为单硅烷和双硅烷，单硅烷结构通式为：

其中，R为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基或乙酰基，X为烷基、烯基或被至少一个氨基、环氧基或巯基取代的烷基或烯基、甲氧基、乙氧基或苄基中的一种或多种。

双硅烷结构通式为：

其中，R 为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基或乙酰基，Y为CH₂CH₂、(CH₂)₃-NH-(CH₂)₃或(CH₂)₃-S₄-(CH₂)₃ 。

所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸乙酯或四氢呋喃。

所述的薄液膜厚度如5000μm、2000μm、1000μm、600μm、100μm等。