一种增强溶胶-凝胶转化膜耐蚀性能的制备方法

技术领域

本发明涉及一种增强溶胶-凝胶转化膜耐蚀性能的制备方法，更确切的说，是一种通过提高溶胶-凝胶转化膜交联密度增强膜层耐蚀性能的制备方法，属于溶胶-凝胶转化膜制备技术领域。

背景技术

金属的腐蚀不可避免且危害严重，为了提高金属的耐蚀性能，涂覆有机涂层是重要手段之一。在涂覆有机涂层之前，需要对金属基体进行表面预处理。铬酸盐阳极氧化作为一种传统表面预处理方式，可以提高基体与有机涂层的结合力，并具有良好的耐蚀性能，但是Cr

溶胶-凝胶转化膜作为铬酸盐阳极氧化的一种潜在取代技术，工艺简单、环境友好，通过形成Si-O-M(M为金属元素)共价键，可提高金属基体和有机涂层之间的结合力，并能提供一定的腐蚀防护能力。但是，溶胶-凝胶转化膜只是作为涂覆有机涂层之前的预处理层，膜层厚度较薄，通常只有几百纳米到几微米；此外，在溶胶制备过程中，由于不完全的水解、缩聚反应，溶胶-凝胶三维网络结构交联度较低，在随后的干燥过程中，低级醇和水分子的挥发使膜层残留微孔、微裂纹等缺陷。膜层的厚度和结构使溶胶-凝胶转化膜的耐蚀性能不令人满意。如何提高溶胶-凝胶转化膜的交联密度，减少膜层的本身缺陷，对增强膜层耐蚀性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提高溶胶-凝胶转化膜交联密度，减少膜层的自身缺陷，提供一种增强溶胶-凝胶转化膜耐蚀性能的制备方法。

本发明通过在制备溶胶的过程中添加2-甲基咪唑，促进3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)的环氧基团开环，提高溶胶-凝胶三维网络结构的交联度，减少膜层的自身缺陷。与不添加2-甲基咪唑的膜层相比，添加2-甲基咪唑不影响金属基体和有机涂层之间的结合力，膜层的耐蚀性能明显增强。

本发明用于增强溶胶-凝胶转化膜耐蚀性能的制备方法：

(1)将无水乙醇和去离子水混合，搅拌过程中添加一定量的2甲基咪唑，待2甲基咪唑完全溶解后，添加一定量的GPTMS，在一定温度下，搅拌一定时间制备Si溶胶；

(2)将无水乙醇和冰醋酸混合，搅拌过程中添加正丙醇锆(TPOZ)，搅拌后制备Zr溶胶；

(3)将Zr溶胶缓慢加入到Si溶胶，搅拌后制备得到最终的Si-Zr混合溶胶；

(4)对金属基体进行表面前处理，在金属基体上涂覆Si-Zr混合溶胶，干燥后制备得到溶胶-凝胶转化膜层。

所述的一种增强溶胶-凝胶转化膜耐蚀性能的制备方法，其中，所述步骤(1)特征在于，将无水乙醇和去离子水混合后，搅拌过程中添加2甲基咪唑，待2甲基咪唑完全溶解后，添加GPTMS,在10℃～40℃温度范围内搅拌1h～3h制备得到Si溶胶。其中，2-甲基咪唑和GPTMS的重量比为0.5％～2％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

在制备溶胶的过程中，添加2-甲基咪唑，促进GPTMS的环氧基团开环，提高了溶胶-凝三维网络结构的交联度，并且不影响金属基体和有机涂层之间的结合力。通过改善膜层的自身结构，膜层的低频阻抗和腐蚀电流密度分别提高和降低约一个数量级，膜层耐蚀性能明显增强。

附图说明

图1是不添加和添加2-甲基咪唑的膜层使用拉开法测试的结合力和外观照片

图2是不添加和添加2-甲基咪唑的膜层的电化学交流阻抗和动电位极化曲线

图3是不添加和添加2-甲基咪唑的膜层在中性盐雾试验中暴露7天后的外观照片

具体实施方法

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

(1)将无水乙醇和去离子水按3:7体积比混合，按GPTMS和去离子水的摩尔比1：21量取GPTMS，按0.5％GPTMS重量称量2-甲基咪唑，搅拌过程中，向醇水混合溶液中添加2-甲基咪唑，待完全溶解后，添加GPTMS，然后在10℃下，搅拌3h制备Si溶胶；

(2)按TPOZ与GPTMS的摩尔比为0.25量取TPOZ，按无水乙醇和TPOZ的体积比1:3量取无水乙醇，按冰醋酸和TPOZ的体积比1:2量取冰醋酸，将无水乙醇和冰醋酸混合，搅拌过程中添加TPOZ，在室温下搅拌1h制备Zr溶胶；

(3)将Zr溶胶缓慢加入到Si溶胶，然后将混合后的溶胶搅拌2h，得到最终的Si-Zr混合溶胶；

(4)对金属基体进行表面前处理。以铝合金为例，铝合金表面依次用320#、800#、1500#砂纸打磨，然后进行除油、去离子水冲洗、出光、去离子水冲洗、冷风吹干。除油工艺为：磷酸钠20g/L，碳酸钠10g/L，氢氧化钠5g/L；温度60℃；时间30s。出光工艺为：浓硝酸与去离子水体积比1:1；温度为室温，时间30s。

(5)将前处理完成后的铝合金放入溶胶液浸泡5min，以100mm/min的速度提拉出来，在室温中表干15min，再次放入溶胶液中浸泡5min，以相同的提拉速度提出。在室温中表干15min后，放入烘箱，在60℃的温度下干燥3h，得到溶胶-凝胶转化膜层。不添加和添加2-甲基咪唑的膜层使用拉开法测试结合力的外观照片和结合力如图1所示。不添加和添加2-甲基咪唑的膜层的电化学交流阻抗和动电位极化曲线如图2所示。不添加和添加2-甲基咪唑的膜层在中性盐雾试验中暴露7天后的外观照片如图3所示。

实施例2

(1)将无水乙醇和去离子水按3:7体积比混合，按GPTMS和去离子水的摩尔比1：21量取GPTMS，按1.0％ GPTMS重量称量2-甲基咪唑，搅拌过程中，向醇水混合溶液中添加2-甲基咪唑，待完全溶解后，再添加GPTMS，然后在20℃下，搅拌2h制备Si溶胶；

(2)按TPOZ与GPTMS的摩尔比为0.25量取TPOZ，按无水乙醇和TPOZ的体积比1:3量取无水乙醇，按冰醋酸和TPOZ的体积比1:2量取冰醋酸，将无水乙醇和冰醋酸混合，搅拌过程中添加TPOZ，在室温下搅拌1h制备Zr溶胶；

(3)将Zr溶胶缓慢加入到Si溶胶，然后将混合后的溶胶搅拌2h，得到最终的Si-Zr混合溶胶；

(4)对金属基体进行表面前处理。以铝合金为例，铝合金表面依次用320#、800#、1500#砂纸打磨，然后进行除油、去离子水冲洗、出光、去离子水冲洗、冷风吹干。除油工艺为：磷酸钠20g/L，碳酸钠10g/L，氢氧化钠5g/L；温度60℃；时间30s。出光工艺为：浓硝酸与去离子水体积比1:1；温度为室温，时间30s。

(5)将前处理完成后的铝合金放入溶胶液浸泡5min，以100mm/min的速度提拉出来，在室温中表干15min，再次放入溶胶液中浸泡5min，以相同的提拉速度提出。在室温中表干15min后，放入烘箱，在60℃的温度下干燥3h，得到溶胶-凝胶转化膜层。

实施例3

(1)将无水乙醇和去离子水按3:7体积比混合，按GPTMS和去离子水的摩尔比1：21量取GPTMS，按1.5％ GPTMS重量称量2-甲基咪唑，搅拌过程中，向醇水混合溶液中添加2-甲基咪唑，待完全溶解后，再添加GPTMS，然后在30℃下，搅拌1.5h制备Si溶胶；

(2)按TPOZ与GPTMS的摩尔比为0.25量取TPOZ，按无水乙醇和TPOZ的体积比1:3量取无水乙醇，按冰醋酸和TPOZ的体积比1:2量取冰醋酸，将无水乙醇和冰醋酸混合，搅拌过程中添加TPOZ，在室温下搅拌1h制备Zr溶胶；

(3)将Zr溶胶缓慢加入到Si溶胶中，然后将混合后的溶胶搅拌2h，得到最终的Si-Zr混合溶胶；

(4)对金属基体进行表面前处理。以铝合金为例，铝合金表面依次用320#、800#、1500#砂纸打磨，然后进行除油、去离子水冲洗、出光、去离子水冲洗、冷风吹干。除油工艺为：磷酸钠20g/L，碳酸钠10g/L，氢氧化钠5g/L；温度60℃；时间30s。出光工艺为：浓硝酸与去离子水体积比1:1；温度为室温，时间30s。

(5)将前处理完成后的铝合金放入溶胶液浸泡5min，以100mm/min的速度提拉出来，在室温中表干15min，再次放入溶胶液中浸泡5min，以相同的提拉速度提出。在室温中表干15min后，放入烘箱，在60℃的温度下干燥3h，得到溶胶-凝胶转化膜层。

实施例4

(1)将无水乙醇和去离子水按3:7体积比混合，按GPTMS和去离子水的摩尔比1：21量取GPTMS，按2％ GPTMS重量称量2-甲基咪唑，搅拌过程中，向醇水混合溶液中添加2-甲基咪唑，待完全溶解后，再添加GPTMS，然后在40℃下，搅拌1h制备Si溶胶；

(2)按TPOZ与GPTMS的摩尔比为0.25量取TPOZ，按无水乙醇和TPOZ的体积比1:3量取无水乙醇，按冰醋酸和TPOZ的体积比1:2量取冰醋酸，将无水乙醇和冰醋酸混合，搅拌过程中添加TPOZ，在室温下搅拌1h制备Zr溶胶；

(3)将Zr溶胶缓慢加入到Si溶胶中，然后将混合后的溶胶搅拌2h，得到最终的Si-Zr混合溶胶；

(4)对金属基体进行表面前处理。以铝合金为例，铝合金表面依次用320#、800#、1500#砂纸打磨，然后进行除油、去离子水冲洗、出光、去离子水冲洗、冷风吹干。除油工艺为：磷酸钠20g/L，碳酸钠10g/L，氢氧化钠5g/L；温度60℃；时间30s。出光工艺为：浓硝酸与去离子水体积比1:1；温度为室温，时间30s。

(5)将前处理完成后的铝合金放入溶胶液浸泡5min，以100mm/min的速度提拉出来，在室温中表干15min，再次放入溶胶液中浸泡5min，以相同的提拉速度提出。在室温中表干15min后，放入烘箱，在60℃的温度下干燥3h，得到溶胶-凝胶转化膜层。

实施例结果表明，本发明通过在制备溶胶的过程中，添加2-甲基咪唑，提高了溶胶-凝胶转化膜层的交联密度，减少了膜层的自身缺陷。在不影响金属基体和有机涂层之间结合力的前提下，膜层耐蚀性能明显增强，该方法通过改善膜层自身结构，为制备具有优异耐蚀性能的溶胶-凝胶转化膜奠定基础，具有重要的参考价值。