[发明专利]一种掺杂稀土盐和沸石的硅烷复合薄膜及其制备和应用方法

说明书

本发明公开了一种掺杂稀土盐和沸石的硅烷复合薄膜及其制备和应用方法。配制掺杂稀土盐与沸石颗粒的硅烷混合液，陈化后再浸渍或喷涂于金属材料表面，经固化在铝合金表面形成一层致密的耐蚀硅烷复合薄膜。本发明利用多孔沸石粒子负载具有缓蚀和自修复效应的稀土盐，且沸石颗粒增强硅烷膜的交联密度，有效增强了硅烷薄膜对于腐蚀性介质的物理屏障作用，实现了提高金属表面硅烷薄膜耐腐蚀性能的目标。本发明中，在金属表面制得的掺杂有稀土盐与沸石的硅烷复合薄膜的致密度得到了极大的提高，能有效阻碍外界侵蚀物的渗透，并能提高高分子涂层与金属的结合强度，有效增强了金属的耐腐蚀性能，能够满足金属材料在恶劣环境条件下的耐腐蚀性能服役要求。

技术领域

本发明涉及一种用于防腐的掺杂稀土盐和沸石的硅烷复合薄膜及其制备和应用方法，属于金属表面处理技术领域。

背景技术

金属材料作为生活必不可少的物质工业生产极为普遍，但是受环境介质的化学作用或电化学作用产生腐蚀现象，不仅造成重大的经济损失,还致使有害物质污染生存的环境,破坏人类的健康。所以很多研究人员对金属防腐蚀措施做了大量的研究。一般分为以下几类：发展耐蚀金属材料、在金属表面覆盖保护层、金属表面改性、缓蚀剂缓蚀及电化学保护。有机涂层作为最经济最有效的防腐蚀措施应用也最为广泛。有机涂层涂装均匀且较致密，但通常情况下有机涂层和金属材料的化学性质和结构差异大，这就会导致有机涂层与金属之间的结合力不理想，为了使有机涂层具有良好的附着力和耐腐蚀性，一般需要进行界面处理，也就是对金属进行表面预处理，一方面改善金属的耐腐蚀性能，另一方面可以改善有机涂层与金属基体的结合力。

目前，金属表面预处理方法主要有稀土转化膜处理、磷化处理、有机薄膜涂装处理等等。其中有机薄膜涂装处理包含在金属表面制备一层有机硅烷膜，硅烷(Silane)是杂化分子，具有有机和无机功能基团，可水解的无机官能团将与金属基材形成共价键，在金属基底上形成Si-O-Si网络结构，而有机官能团与有机涂料体系相容，可以增强界面的结合强度。另外，硅烷水解之后形成醇羟基，通过交联在金属基底上形成具有Si-O-Si网络结构的硅烷膜，能阻止水和电解质渗透到金属基底，提供了一道疏水的物理屏障。

但是，硅烷薄膜很薄，厚度一般约100～500nm，且存在一些微裂纹、微孔等缺陷，腐蚀性电解质容易通过这些缺陷与金属表面接触并导致金属腐蚀。硝酸铈、氯化铈以及硝酸镧、氯化镧等稀土盐不仅具有缓蚀性，还具有自愈性。铈或镧离子通过形成氧化物或氢氧化物来保护受损区域免受腐蚀。通过用铈或镧掺杂的硅烷对金属基材进行表面处理能在一定时间内有效保护基体不受侵蚀，相比硅烷膜耐腐蚀性有了明显的提高。Si-Ce有机-无机杂化膜已成为铬转化膜最有前途的环保替代品之一。

有研究人员在6系铝合金表面制备了Si/Zr凝胶涂层并利用硝酸铈进行改善取得了不错的效果，但问题是此凝胶层厚度达15μm左右，对于界面处理来说太厚。也有研究人员尝试在镀锌钢表面制备一层很薄的硅烷膜，并利用硝酸铈溶液进行掺杂，同样致力于结合硅烷膜的屏障作用与硝酸铈的腐蚀抑制作用，结果也表明硝酸铈的加入在一定程度上加强了硅烷膜的屏障作用。

稀土铈盐或镧盐等稀土盐作为一种有效的腐蚀抑制剂，若有一种良好的载体可以存储它们，并与之产生协同作用便能更大程度的改善硅烷膜的耐腐蚀性能。

沸石，一种硅铝酸盐，属于无机材料，具有三维骨架结构，硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子连接组成的骨架，具有丰富的微孔结构。因为沸石的特殊性能与结构，不少研究者通过一步法或者两步法在金属表面合成沸石涂层，效果也非常明显。首先，由于表面醇羟基的存在，沸石具有较强的化学活性，基于这一特性，硅烷能够与其表面相互作用产生反应。其次，由于沸石的多孔性为铈盐或镧盐等稀土盐腐蚀抑制剂提供了一个良好的载体，两者产生协同作用更大程度改善硅烷膜的耐腐蚀性能，而且沸石颗粒填充到硅烷基质中可以增加交联密度从而降低了整体薄膜的润湿性，阻碍水分子介质的进入，纳米无机沸石颗粒表面存在一些羟基，可与硅醇键反应形成外部疏水有机链，从而阻碍水等腐蚀性介质的进入。

目前还没有稀土盐和沸石颗粒同时掺杂的硅烷复合薄膜的相关报道。