基于金属铜的超疏水涂层防腐蚀能力研究

赵田帅 王程昊 乔利臣

【摘  要】铜作为一种延展性、导热性、导电性都较高的一种金属，在我国各个方面和场所都应用极多，也因此每年我国铜的腐蚀情况也是极为严重的，造成了巨大的损失。铜的腐蚀也成为必须要解决的问题。对铜进行超疏水涂层处理在如今具有很大的研究潜力。本文主要基于金属铜的超疏水涂层的防腐蚀能力进行深入研究，着重深入探讨了影响金属铜超疏水涂层的防腐蚀能力的的相关因素，以及缓解金属铜超疏水涂层腐蚀的方法和思路。

【关键词】金属铜;超疏水表面;防腐蚀

1.铜的应用及铜的腐蚀

铜，元素符号Cu，元素周期表中位列第二十九位，金属铜具有非常好的延展性、导热导电性，因此铜最常用于电力领域和建筑领域。然而铜的金属性相较于银和金更加活泼，所以铜更加容易被腐蚀。尤其是在水中特别是海水。大量的铜被O腐蚀使得铜的使用寿命大大缩短，使用范围也被局限在一定领域内。因此，如何防止、抑制或减缓铜的腐蚀成为了目前热门的研究课题。

在这些年许多学者的研究之下，给金属穿上一层“衣服”即超疏水涂层成为非常有潜力、前景较好的防腐蚀方法。我国学者有人已经通过一步电镀法在 镁锡锌合金上制备得到超疏水涂层，并证明了涂层防腐蚀性能非常优秀。还有人通过简单的喷涂方法在铝基板上生成彩色超疏水涂层，对该涂层在3. 5% 氯化钠溶液中的耐久性及防腐蚀性惊醒了研究。这些年来，对基于金属铜的基于金属铜的超疏水涂层防腐蚀能力研究的报道层出不穷，我国已有学者制备出了氧化铜微纳分子层超疏水表面，其在强酸、强碱中表现非常稳定。具体方法是通过氧化来使得铜表面形成了微纳凸起的氧化铜作为超疏水涂层，虽然有较好的抗腐蚀能力，但是缺点也很明显，我们无法具体控制氧化铜的生长。我国还有其他学者利用溶液浸渍法在铜金属表面上构建了一层Cu（ OH） 2 超疏水涂层，并且此过程可以认为控制，但是缺点也非常明显，Cu（ OH） 2性质不稳定。虽说基于金属铜的超疏水涂层研究有很多，但是对其的防腐蚀能力的研究却较少。

因此，本研究对数种基于金属铜制备的超疏水涂层的防腐蚀能力进行了深入的研究，探讨了这几种超疏水涂层的在各种环境下的抗腐蚀能力以及各自的优缺点。

2.材料与方法

2.1材料与试剂

实验所用材料为含铜量99. 9%的铜片，各种目数的砂纸;

实验所用试剂为氯化钠、无水乙醇、盐酸、超纯水、丙酮;

以上所用实验试剂由国家集团化学试剂优先公司提供。

2.2金属铜的超疏水涂层的制备

本次研究金属铜的超疏水涂层的制备方法采用的是溶液浸渍法得到氧化铜的超疏水涂层。

溶液浸渍法：将准备的长宽高分别为4*2*1（cm）的铜材料用砂纸打磨干净，然后将其放入到准备好的丙酮溶液中超声清洗十分钟，再放入到无水乙醇中超声清洗十分钟，最后在超纯水中清洗十分钟，用氮气干燥表面，在环境温度25℃的情况下，将下铜片放入 2. 0 mol /L 氢氧化钠 和 0. 15 mol /L 的过硫酸铵混合水溶液中浸渍，之后依次用乙醇和超纯水将铜片清洗干净。待其干燥后，放入氮气保护的加热炉中进行固态脱水处理。150 ℃加热三小时，然后在200 ℃持续三小时，待其冷却至25 ℃時将干燥好的铜片放入 0. 1 ml氟硅烷和 9. 9 ml 乙醇 的混合溶液中，在黑暗处放置十二小时，之后用无水乙醇充分清洗，然后在100 ℃干燥箱中干燥一小时，最终得到金属铜超疏水涂层成品。

2.3超疏水涂层耐腐蚀能力研究

对超疏水铜表面进行傅里叶转换红外光谱扫描得到的图像可知，铜的表面能被有效的降低了。将纯铜和处理后得到超疏水表面的铜放入3. 5%的氯化钠溶液中，利用相关仪器和软件测得其动电位极化曲线。在根据此曲线导出Ecorr与Icorr。

我们可以根据此图看出没有经过超疏水涂层处理的Ecorr与Icorr分别为-0.259V和6.516×10-5A/cm2。相比之下，进行了超疏水涂层处理的Ecorr与Icorr分别为-0.115V和6.220×10-7 A/cm2。经过超疏水处理的腐蚀电流密度要远远小于纯铜，而腐蚀电位却要远大于纯铜。这就是经过超疏水处理的不容易被腐蚀。当经过处理的铜在氯化钠溶液中时，其表面的超疏水微纳结构隔绝了溶液中的离子与金属铜的接触，相当于有着一层空气将两者隔绝开，所以不容易造成腐蚀。因为经过超疏水处理的铜表面腐蚀电流密度较小，所以铜表面就不容易被腐蚀，就越耐腐蚀。所以经过该处理的铜比纯铜腐蚀的速率要低很多。我们可以得出，超疏水表面的铜材在离子溶液中极其耐腐蚀。

2.4湿润性测试

为了研究这两种铜材料的湿润性，我们对两种铜材料进行了接触角的测量，如下图所示，未经处理的纯铜是亲水的，接触角为88.23°。进行了超疏水处理后得到氧化铜表面的接触角为157.75°，其属性显示是超疏水，水滴在其表面非常不容易扩散。我们还对其超疏水涂层表面的前进接触角和后退接触角进行了测定，这两个角度都大于150°。这说明了经过超疏水处理后得到的氧化铜疏水表面的确拥有了超疏水湿润性。

2.5不同天气环境测试

为了进一步测试超疏水涂层的耐腐蚀能力，我们将经过处理的铜材和未出处理纯铜进行不同的天气环境测试，实验环境是将两种材料放在3. 5%的氯化钠溶液然后置于模拟的不同天气中。一般条件下，纯铜会自然的发生缓慢的氧化，在其表面氧化为一层黑色的氧化铜薄膜，一般来说，这层氧化铜薄膜会隔绝氧气，阻止铜的继续氧化，但是在某些天气或环境下，氧化铜薄膜就无法起到防止氧化的作用。Z0.01Hz是一个能用来判断涂层缓解腐蚀能力的参数，当纯铜暴露在天气20天后，Z0.01Hz的值在5.07×103 到 1.38×103Ω·cm-2的范围之内。与纯铜比较之下，经过超疏水处理的铜材在暴露一天后Z0.01Hz的值是比纯铜的高六个数量级，其表面的微纳结构可以有效的阻止空气中的水分和氧气与铜接触。当在大气中暴露时间为二十天时，其值也要比纯铜高三百多倍。面对一般环境中的灰尘、水分，纯铜非常容易腐蚀，而表面形成了氧化铜超疏水的的铜就更能保护铜不被腐蚀。

3.结语

本研究本文首先采用溶液浸渍法制备了氧化铜的超疏水涂层，探索了所制备的超疏水涂层的抗腐蚀能力。面对铜容易被腐蚀的缺点，采用溶液浸渍的方法，在铜材表面制备了低表面能的超疏水涂层，然后对制备的氧化铜超疏水涂层进行耐腐蚀的研究。在温度较高的湿润天气下纯铜会在其表面生成一层氧化铜的保护膜，这层膜可以保护铜不被继续腐蚀，但是海水环境下，这层保护膜会很快失效失去了保护作用，而且还会加剧周遭环境对铜的腐蚀效果，而且海水中含有氯离子，也会形成其他的腐蚀产物，其他的腐蚀产物并不会像氧化铜那样保护铜材不被腐蚀。采用了溶液浸渍法在铜材表面制备了氧化铜涂层，经过在在天气环境下的实验，说明了超疏水涂层可有效延长对铜材的保护时间。在对两种才来进行浸泡实验显示，超疏水涂层对铜的保护效果很明显。

本研究通过制备超疏水涂层，并应用于铜材的防腐蚀研究，采用了物理和化学的方法对其防腐蚀进行了研究，但是对于超疏水涂层的研究很片面，还有很多的不足之处，实验还需要改进。本文在验证超疏水涂层的抑制腐蚀方面采用了浸泡试验和大气暴露试验，但是还缺乏其他方面的实验。对于超疏水涂层还应考虑涂层自然环境下的自修复性能。本文采用的溶液浸渍法制备的涂层均存在着涂层低粘度的缺点。针对这个不足还应重新研究新的实验，或者通过采用新的技术，使得氧化铜超疏水涂层在铜表面结合更加紧密。从目前情况来看，超疏水涂层还有很大的发展潜力，还有很多的新方法没有被发现，本文可以给后来的研究者提供一定的参考。

作者简介：赵田帅（1989.10-），男，河南安阳人，内蒙古自治区包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料化学专业，本科生。

王程昊（2000.09-），男，内蒙古乌兰察布人，内蒙古自治区包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料化学专业，本科生。

乔利臣（1999.10-），男，山西大同人，内蒙古自治区包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料化学专业，本科生。