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、導熱性、導電性都較高的一種金屬，在我國各個方面和場所都應用極多，也因此每年我國銅的腐蝕情況也是極為嚴重的，造成了巨大的損失。銅的腐蝕也成為必須要解決的問題。對銅進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因素，以及緩解金屬銅超疏水涂層腐蝕的方法和思路。

【關鍵詞】金屬銅;超疏水表面;防腐蝕

1.銅的應用及銅的腐蝕

銅，元素符號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、導熱導電性，因此銅最常用于電力領域和建筑領域。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域內。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。我國學者有人已經通過一步電鍍法在 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秀。還有人通過簡單的噴涂方法在鋁基板上生成彩色超疏水涂層，對該涂層在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，對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道層出不窮，我國已有學者制備出了氧化銅微納分子層超疏水表面，其在強酸、強堿中表現非常穩定。具體方法是通過氧化來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，但是缺點也很明顯，我們無法具體控制氧化銅的生長。我國還有其他學者利用溶液浸漬法在銅金屬表面上構建了一層Cu（ OH） 2 超疏水涂層，并且此過程可以認為控制，但是缺點也非常明顯，Cu（ OH） 2性質不穩定。雖說基于金屬銅的超疏水涂層研究有很多，但是對其的防腐蝕能力的研究卻較少。

因此，本研究對數種基于金屬銅制備的超疏水涂層的防腐蝕能力進行了深入的研究，探討了這幾種超疏水涂層的在各種環境下的抗腐蝕能力以及各自的優缺點。

2.材料與方法

2.1材料與試劑

實驗所用材料為含銅量99. 9%的銅片，各種目數的砂紙;

實驗所用試劑為氯化鈉、無水乙醇、鹽酸、超純水、丙酮;

以上所用實驗試劑由國家集團化學試劑優先公司提供。

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：將準備的長寬高分別為4*2*1（cm）的銅材料用砂紙打磨干凈，然后將其放入到準備好的丙酮溶液中超聲清洗十分鐘，再放入到無水乙醇中超聲清洗十分鐘，最后在超純水中清洗十分鐘，用氮氣干燥表面，在環境溫度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，放入氮氣保護的加熱爐中進行固態脫水處理。150 ℃加熱三小時，然后在200 ℃持續三小時，待其冷卻至25 ℃時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，之后用無水乙醇充分清洗，然后在100 ℃干燥箱中干燥一小時，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

對超疏水銅表面進行傅里葉轉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，利用相關儀器和軟件測得其動電位極化曲線。在根據此曲線導出Ecorr與Icorr。

我們可以根據此圖看出沒有經過超疏水涂層處理的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。經過超疏水處理的腐蝕電流密度要遠遠小于純銅，而腐蝕電位卻要遠大于純銅。這就是經過超疏水處理的不容易被腐蝕。當經過處理的銅在氯化鈉溶液中時，其表面的超疏水微納結構隔絕了溶液中的離子與金屬銅的接觸，相當于有著一層空氣將兩者隔絕開，所以不容易造成腐蝕。因為經過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。所以經過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濕潤性測試

為了研究這兩種銅材料的濕潤性，我們對兩種銅材料進行了接觸角的測量，如下圖所示，未經處理的純銅是親水的，接觸角為88.23°。進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散。我們還對其超疏水涂層表面的前進接觸角和后退接觸角進行了測定，這兩個角度都大于150°。這說明了經過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性。

2.5不同天氣環境測試

為了進一步測試超疏水涂層的耐腐蝕能力，我們將經過處理的銅材和未出處理純銅進行不同的天氣環境測試，實驗環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，純銅會自然的發生緩慢的氧化，在其表面氧化為一層黑色的氧化銅薄膜，一般來說，這層氧化銅薄膜會隔絕氧氣，阻止銅的繼續氧化，但是在某些天氣或環境下，氧化銅薄膜就無法起到防止氧化的作用。Z0.01Hz是一個能用來判斷涂層緩解腐蝕能力的參數，當純銅暴露在天氣20天后，Z0.01Hz的值在5.07×103 到 1.38×103Ω·cm-2的范圍之內。與純銅比較之下，經過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數量級，其表面的微納結構可以有效的阻止空氣中的水分和氧氣與銅接觸。當在大氣中暴露時間為二十天時，其值也要比純銅高三百多倍。面對一般環境中的灰塵、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銅不被腐蝕。

3.結語

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。面對銅容易被腐蝕的缺點，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，然后對制備的氧化銅超疏水涂層進行耐腐蝕的研究。在溫度較高的濕潤天氣下純銅會在其表面生成一層氧化銅的保護膜，這層膜可以保護銅不被繼續腐蝕，但是海水環境下，這層保護膜會很快失效失去了保護作用，而且還會加劇周遭環境對銅的腐蝕效果，而且海水中含有氯離子，也會形成其他的腐蝕產物，其他的腐蝕產物并不會像氧化銅那樣保護銅材不被腐蝕。采用了溶液浸漬法在銅材表面制備了氧化銅涂層，經過在在天氣環境下的實驗，說明了超疏水涂層可有效延長對銅材的保護時間。在對兩種才來進行浸泡實驗顯示，超疏水涂層對銅的保護效果很明顯。

本研究通過制備超疏水涂層，并應用于銅材的防腐蝕研究，采用了物理和化學的方法對其防腐蝕進行了研究，但是對于超疏水涂層的研究很片面，還有很多的不足之處，實驗還需要改進。本文在驗證超疏水涂層的抑制腐蝕方面采用了浸泡試驗和大氣暴露試驗，但是還缺乏其他方面的實驗。對于超疏水涂層還應考慮涂層自然環境下的自修復性能。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。針對這個不足還應重新研究新的實驗，或者通過采用新的技術，使得氧化銅超疏水涂層在銅表面結合更加緊密。從目前情況來看，超疏水涂層還有很大的發展潛力，還有很多的新方法沒有被發現，本文可以給后來的研究者提供一定的參考。

作者簡介：趙田帥（1989.10-），男，河南安陽人，內蒙古自治區包頭市昆都侖區內蒙古科技大學材料化學專業，本科生。

王程昊（2000.09-），男，內蒙古烏蘭察布人，內蒙古自治區包頭市昆都侖區內蒙古科技大學材料化學專業，本科生。

喬利臣（1999.10-），男，山西大同人，內蒙古自治區包頭市昆都侖區內蒙古科技大學材料化學專業，本科生。