一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法

2023-10-26 17:08:42 1

一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法。其技術方案是：先將表面預處理後的不鏽鋼在磷酸二氫鈉溶液中進行電化學陽極氧化處理；再在攪拌條件下，將電化學陽極氧化處理後的不鏽鋼置於多巴胺與三羥甲基氨基甲烷的混合溶液中4~24h，取出清洗；然後在氬氣氛下以5~15℃/min的升溫速率從室溫升溫至500~800℃，保溫3~10h，隨爐自然冷卻，製得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。本發明具有工藝簡單、環境友好和成本低廉的特點；其製品結構規整有序，成分均勻，納米孔密度高，碳膜比表面積大，孔徑、孔深及碳膜厚度可控，不介入其他雜質元素，與基材結合緊密；本發明能提高不鏽鋼耐腐蝕性能、抗高溫性能、電化學傳感性能和生物醫藥性能。
【專利說明】一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於納米材料【技術領域】。具體涉及一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法。
【背景技術】
[0002]碳具有不同的同素異形體、不同的微觀結構、不同的石墨化程度、不同的存在形式和豐富多樣的維數，因此碳材料是一類很有發展和應用前景的新型材料。其中具備納米孔陣列的碳材料，由於其獨特的物理化學性能，包括表面疏水性、比表面積大、孔隙率高、孔體積大、耐腐蝕性強、良好的機械穩定性、容易加工、優異的熱穩定性和化學穩定性以及相對較低的成本，使其在化工領域、生物醫藥領域、環境和能源等領域具有巨大的優勢，其優良的性能和廣泛的用途受到了國內外研究機構和生產企業的廣泛關注。
[0003]碳膜以碳原子軌道sp2和sp3的比例不同分為兩大類，碳鍵結構以sp3為主的碳膜稱為類金剛石碳膜，碳鍵結構以sp2為主的碳膜稱為類石墨碳膜。類金剛石碳膜具有許多優異的物理化學性能，如極高的硬度、化學惰性、低摩擦係數、高阻抗、良好的熱傳導和優良的光學透過性，因而廣泛應用於光學器件、磁記憶器件、高溫半導體材料、機械工具和醫用矯形體的耐磨保護層方面。但類金剛石碳膜中存在的較大內應力，降低了薄膜和基體間的結合強度，導致薄膜在金屬基體表面成膜困難。故類石墨碳膜與類金剛石碳膜相比具有內應力小、結合強度好的優點，同時保留了硬度高、摩擦因數小和磨損率低的優點。
[0004]碳膜的結構和性能很大程度上與其製備工藝有關。傳統製備碳膜的方法是以酚醛樹脂、聚醯亞胺和聚丙烯腈的含碳物質為原料，利用碳化法、塗覆法(浸潰法)、活化法和化學氣相沉積法中的一種或幾種方法聯用製備。碳化過程是製備碳膜的關鍵過程，通過碳化，原料膜發生複雜的熱分解、熱縮聚反應，原料膜中熱不穩定部分以揮發分脫除，形成多孔的碳化產物，同時機械強度得到增強。但在碳化製備碳膜的過程中存在如下問題:碳化溫度過高，碳化所得碳膜結構和成分不均勻，碳膜的脆性大。

【發明內容】

[0005]本發明旨在克服現有技術的缺陷，目的是提供一種工藝簡單、環境友好和成本低廉的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜的製備方法。用該方法製備的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜結構規整有序，成分均勻，納米孔密度高，碳膜比表面積大，孔徑、孔深和碳膜厚度可控，不介入其他雜質元素，與基材結合緊密；能提高不鏽鋼耐腐蝕性能、抗高溫性能、電化學傳感性能以及生物醫藥性能。
[0006]為實現上述目的，本發明採用的技術方案是:先將表面預處理後的不鏽鋼在磷酸二氫鈉溶液中進行電化學陽極氧化處理；再在攪拌條件下，將電化學陽極氧化處理後的不鏽鋼置於多巴胺與三羥甲基氨基 甲烷的混合溶液中4~24h，取出，清洗；然後在氬氣氛下以5^15°C /min的升溫速率從室溫升溫至50(T80(TC，保溫:TlOh，隨爐自然冷卻，製得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。[0007]所述表面預處理是:先將不鏽鋼表面打磨至粗糙度小於RalO μ m,再將打磨後的不鏽鋼依次在無水乙醇中超聲清洗和蒸餾水中超聲清洗，吹乾；然後將吹乾後的不鏽鋼置入含高氯酸5~120mL/L和乙二醇88(T995mL/L的溶液中，以清洗後的不鏽鋼作為陽極進行電化學拋光處理。
[0008]電化學拋光處理的電壓為1(T30V，電化學拋光處理的溫度為_5°C~20°C，電化學拋光處理的時間為5~30min。
[0009]所述電化學陽極氧化處理的電壓為1(T50V，陽極氧化處理的溫度為-5~20°C，陽極氧化處理的時間為0.f lh。
[0010]所述磷酸二氫鈉溶液的濃度為0.1~2mol/L，PH值為3~6。
[0011 ] 所述的鹽酸多巴胺與三羥甲基氨基甲烷的混合溶液的製備方法是:將鹽酸多巴胺以2g/L的比例溶入lOmmol/L的三羥甲基氨基甲烷溶液中，攪拌混勻。
[0012]由於採用上述方案，本發明與現有技術相比具有以下優點:
1、本發明所需設備結構簡單，投資少，不需要真空或高溫高壓設備；製備工藝僅包括不鏽鋼表面預處理、電化學陽極氧化處理、聚多巴胺附著及熱處理四個步驟，簡單易行；本發明所採用的原材料對環境無汙染和能耗小；
2、本發明工藝參數精確可控，可通過控制陽極氧化處理的參數和控制聚多巴胺負載時間來製備多種孔徑、孔深和碳膜厚度的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜；
3、本發明所涉及的陽極氧化處理、聚多巴胺負載及熱處理技術具有生產效率高、成本低、工藝簡單和重複性好的優點， 適合大規模製造。用該方法製備的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜結構規整有序，成分均勻，納米孔密度高，碳膜比表面積大，不介入其他雜質元素，與基材結合緊密；能提高不鏽鋼耐腐蝕性能、抗高溫性能、電化學傳感性能以及生物醫藥性能。所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜厚度為5(T200nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔孔徑為5(Tl50nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔深度為10(T500nm。
[0013]4、本發明利用多巴胺的強附著性在不鏽鋼表面負載聚多巴胺，聚多巴胺附著牢固，之後進行熱處理，所得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜與不鏽鋼結合緊密。
[0014]5、本發明所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜比表面積大。
[0015]因此，本發明具有工藝簡單、環境友好和成本低廉的特點。所製備的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜結構規整有序，成分均勻，納米孔密度高，碳膜比表面積大，孔徑、孔深及碳膜厚度可控，不介入其他雜質元素，與基材結合緊密；能提高不鏽鋼耐腐蝕性能、抗高溫性能、電化學傳感性能以及生物醫藥性能。
【具體實施方式】
[0016]本【具體實施方式】在以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0017]為避免重複，先將本【具體實施方式】所涉及的不鏽鋼的表面處理方法、磷酸二氫鈉溶液的技術參數、鹽酸多巴胺與三羥甲基氨基甲烷混合溶液的配製方法統一描述如下，實施例中不再贅述:
所述表面預處理是:先將不鏽鋼表面打磨至粗糙度小於RalO μ m,再將打磨後的不鏽鋼依次在無水乙醇中超聲清洗和蒸餾水中超聲清洗，吹乾；然後將吹乾後的不鏽鋼置入含高氯酸5~120mL/L和乙二醇88(T995mL/L的溶液中，以清洗後的不鏽鋼作為陽極進行電化學拋光處理。
[0018]電化學拋光處理的電壓為1(T30V，電化學拋光處理的溫度為_5°C~20°C，電化學拋光處理的時間為5~30min。
[0019]所述磷酸二氫鈉溶液的濃度為0.1~2mol/L，PH值為3~6。
[0020]所述鹽酸多巴胺與三羥甲基氨基甲烷的混合溶液的製備方法是:將鹽酸多巴胺以2g/L的比例溶入lOmmol/L的三羥甲基氨基甲烷溶液中，攪拌混勻。
[0021]實施例1
一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法。先將表面預處理後的不鏽鋼在磷酸二氫鈉溶液中進行電化學陽極氧化處理；再在攪拌條件下，將電化學陽極氧化處理後的不鏽鋼置於多巴胺和三羥甲基氨基甲烷的混合溶液中4~6h，取出，清洗；然後在氬氣氛下以5~10°C /min的升溫速率從室溫升溫至50(T600°C，保溫3飛h，隨爐自然冷卻，製得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。
[0022]本實施例中:電化學陽極氧化處理的電壓為1(T20V，電化學陽極氧化處理的溫度為_5、°C，電化學陽極氧化處理的時間是0.7~lh。
[0023]本實施例所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜厚度為5(T100nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔孔徑為5(T90nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔深度為300~500nmo
[0024]實施例2
一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法。先將表面預處理後的不鏽鋼在磷酸二氫鈉溶液中進行電化學陽極氧化處理；再在攪拌條件下，將電化學陽極氧化處理後的不鏽鋼置於多巴胺和三羥甲基氨基甲烷的混合溶液中6~12h，取出，清洗；然後在氬氣氛下以1(T15°C /min的升溫速率從室溫升溫至55(T70(TC，保溫4~7h，隨爐自然冷卻，製得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。
[0025]本實施例中:電化學陽極氧化處理的電壓為2(T30V，電化學陽極氧化處理的溫度為O飛。C，電化學陽極氧化處理的時間是0.5^0.8h。
[0026]本實施例所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜厚度為8(Tl50nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔孔徑為7(Tll0nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔深度為200~400nmo
[0027]實施例3
一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法。先將表面預處理後的不鏽鋼在磷酸二氫鈉溶液中進行電化學陽極氧化處理；再在攪拌條件下，將電化學陽極氧化處理後的不鏽鋼置於多巴胺和三羥甲基氨基甲烷的混合溶液中l(Tl8h，取出，清洗；然後在氬氣氛下以5^10°C /min的升溫速率從室溫升溫至60(T750°C，保溫6~8h，隨爐自然冷卻，製得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。
[0028]本實施例中:電化學陽極氧化處理的電壓為3(T40V，電化學陽極氧化處理的溫度為5~15°C，電化學陽極氧化處理的時間是0.3^0.5h。
[0029]本實施例所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜厚度為10(Tl70nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔孔徑為9(Tl30nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔深度為150~300nm。
[0030]實施例4
一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜及其製備方法。先將表面預處理後的不鏽鋼在磷酸二氫鈉溶液中進行電化學陽極氧化處理；再在攪拌條件下，將電化學陽極氧化處理後的不鏽鋼置於多巴胺和三羥甲基氨基甲烷的混合溶液中15~24h，取出，清洗；然後在氬氣氛下以10~15°C /min的升溫速率從室溫升溫至700~800°C，保溫7~10h，隨爐自然冷卻，製得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。
[0031]本實施例中:電化學陽極氧化處理的電壓為40~50V，電化學陽極氧化處理的溫度為10~20°C，電化學陽極氧化處理的時間是0.11~0.3h。
[0032]本實施例所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜厚度為120~200nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔孔徑為100~l50nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔深度為100~200nmo
[0033]本【具體實施方式】與現有技術相比具有以下優點:
1、本【具體實施方式】所需設備結構簡單，投資少，不需要真空或高溫高壓設備；製備工藝僅包括不鏽鋼表面預處理、電化學陽極氧化處理、聚多巴胺附著及熱處理四個步驟，簡單易行；本【具體實施方式】所採用的原材料對環境無汙染和能耗小；
2、本【具體實施方式】工藝參數精確可控，可通過控制陽極氧化處理的參數和控制聚多巴胺負載時間來製備多種孔徑、孔深和碳膜厚度的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜；
3、本【具體實施方式】所涉及的陽極氧化處理、聚多巴胺負載及熱處理技術具有生產效率高、成本低、工藝簡單和重複性好的優點，適合大規模製造。用該方法製備的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜結構規整有序，成分均勻，納米孔密度高，碳膜比表面積大，不介入其他雜質元素，與基材結合緊密；能提高不鏽鋼耐腐蝕性能、抗高溫性能、電化學傳感性能以及生物醫藥性能。所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜厚度為50~200nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔孔徑為50~l50nm，不鏽鋼表面三維納米碳薄膜上納米孔深度為100~500nm。
[0034]4、本【具體實施方式】利用多巴胺的強附著性在不鏽鋼表面負載聚多巴胺，聚多巴胺附著牢固，之後進行熱處理，所得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜與不鏽鋼結合緊密。
[0035]5、本【具體實施方式】所製得的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜比表面積大。
[0036]因此，本【具體實施方式】具有工藝簡單、環境友好和成本低廉的特點。所製備的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜結構規整有序，成分均勻，納米孔密度高，碳膜比表面積大，孔徑、孔深及碳膜厚度可控，不介入其他雜質元素，與基材結合緊密；能提高不鏽鋼耐腐蝕性能、抗高溫性能、電化學傳感性能以及生物醫藥性能。
【權利要求】
1.一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜的製備方法，其特徵在於，先將表面預處理後的不鏽鋼在磷酸二氫鈉溶液中進行電化學陽極氧化處理；再在攪拌條件下，將電化學陽極氧化處理後的不鏽鋼置於多巴胺與三羥甲基氨基甲烷的混合溶液中4~24h，取出，清洗；然後在氬氣氛下以5~15°C /min的升溫速率從室溫升溫至50(T80(TC，保溫3~10h，隨爐自然冷卻，製得不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。
2.根據權利要求1所述的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜的製備方法，其特徵在於所述表面預處理是:先將不鏽鋼表面打磨至粗糙度小於RalO μ m,再將打磨後的不鏽鋼依次在無水乙醇中超聲清洗和蒸餾水中超聲清洗，吹乾；然後將吹乾後的不鏽鋼置入含高氯酸5~120mL/L和乙二醇88(T995mL/L的溶液中，以清洗後的不鏽鋼作為陽極進行電化學拋光處理； 電化學拋光處理的電壓為1(T30V，電化學拋光處理的溫度為_5°C~20°C，電化學拋光處理的時間為5~30min。
3.根據權利要求1所述的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜的製備方法，其特徵在於所述電化學陽極氧化處理的電壓為1(T50V，陽極氧化處理的溫度為-5~20°C，陽極氧化處理的時間為0.rih0
4.根據權利要求1所述的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜的製備方法，其特徵在於所述磷酸二氫鈉溶液的濃度為0.1~2mol/L，PH值為3~6。
5. 根據權利要求1所述的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜的製備方法，其特徵在於所述的鹽酸多巴胺與三羥甲基氨基甲烷的混合溶液的製備方法是:將鹽酸多巴胺以2g/L的比例溶入lOmmol/L的三羥甲基氨基甲烷溶液中，攪拌混勻。
6.一種不鏽鋼表面三維納米碳薄膜，其特徵在於所述不鏽鋼表面三維納米碳薄膜是根據權利要求1所述的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜的製備方法所製備的不鏽鋼表面三維納米碳薄膜。
【文檔編號】C25D11/34GK103882442SQ201410151483
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】倪紅衛, 王紫陽, 張博威, 詹瑋婷, 陳榮生, 張超, 雷銳 申請人:武漢科技大學