紫外/臭氧辅助不锈钢表面聚二甲基硅氧烷自组装膜的形成及其性能研究

唐嘉杭，任晔炜，崔立聪，余丙军

紫外/臭氧辅助不锈钢表面聚二甲基硅氧烷自组装膜的形成及其性能研究

唐嘉杭，任晔炜，崔立聪，余丙军

（西南交通大学 机械工程学院，成都 610031）

在不破坏不锈钢表面的前提下，使用自组装技术提升不锈钢表面的耐腐蚀性能和抗磨损性能。首先采用紫外/臭氧（UV/O3）辅助处理的方法活化316L不锈钢表面，然后利用浸泡法在其表面制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）自组装膜。通过原子力显微镜（AFM）、接触角测量仪、电化学工作站、摩擦磨损试验机等设备分析了UV/O3处理时间对316L不锈钢表面的影响以及自组装时间对316L不锈钢表面耐腐蚀、抗磨损性能的影响。UV/O3处理时间为20 min时，316L不锈钢表面具有良好的亲水性，且此时粗糙度最低。316L不锈钢表面在形成PDMS自组装膜之后缓蚀效率大幅度提升，且缓蚀效率在自组装时间为0.5 h时最佳，达到90.51%。同时，在经过20 min UV/O3辅助处理后的不锈钢上制备的自组装膜相较于未经UV/O3辅助处理得到的自组装膜，覆盖率更大，缓蚀效率更高。进一步的摩擦磨损试验结果表明，经过UV/O3辅助处理后形成PDMS自组装膜的316L不锈钢表面，摩擦因数从0.85降低到0.25。相较于直接自组装的不锈钢表面在140 s后发生磨损，经过UV/O3预处理后再自组装的不锈钢表面在530 s后才发生磨损。UV/O3辅助处理能够在不损伤不锈钢表面的前提下，通过活化不锈钢表面以提高其膜基结合强度，从而提升不锈钢表面自组装成膜的效果。316L不锈钢表面经过UV/O3预处理20 min后在25 ℃下自组装0.5 h，可以成功得到耐腐蚀性能和抗磨损性能良好的PDMS自组装膜，这一方法有效降低了不锈钢在高浓度氯离子环境中的失效风险，同时也提高了不锈钢表面的耐磨性能。

紫外/臭氧（UV/O3）处理；表面改性；聚二甲基硅氧烷（PDMS）；自组装；材料防护；不锈钢

不锈钢具有价格实惠、成型性好、易于加工等特点，在食物加工、化学工业、建筑、海洋、医药等领域被广泛使用。在工程应用中，不锈钢的耐腐蚀性和耐磨性都能提供令人满意的性能需求，但其在高浓度氯离子环境中容易发生点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等，特别是点蚀最为严重[1]。例如，史艳华等[2]认为316L不锈钢在氯离子浓度高的环境下点蚀程度会增加，所以提高316L不锈钢的耐腐蚀性能和耐磨性能十分重要。

目前提高不锈钢耐腐蚀性能的方法主要有缓蚀剂添加[3-5]、涂层[6-7]、表面钝化[8-9]等，这些方法基本上能对不锈钢表面发生的腐蚀现象起到一定的抑制或者减缓作用。缓蚀剂中铬酸盐因其性价比高而被广泛使用，但是Cr元素对人体和环境具有一定的危害性，且涂层在使用过程中难免会受到一些机械性破坏而导致防护性能下降[10-11]。同时，这些保护方法的实施在一定程度上还受到基底形状以及面积大小的限制。

自组装膜技术能在分子水平上实现材料表面改性，它作为一种新型的表面防护技术具备操作简便、成膜稳定性优异和环境友好的优点而备受人们关注研究，并且自组装技术的开展不受衬底形状和面积限制，应用广泛。有机硅烷类高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有生物兼容性好、价格便宜、良好的黏附性、较好的化学惰性、优秀的机械弹性、优异的耐腐蚀性等特点[12]，所以本研究选择用PDMS进行自组装膜制备，有望能提高不锈钢表面的耐腐蚀和抗磨损性能。自组装膜对不锈钢的保护作用不仅与它本身的化学成分和结构相关，也取决于它和不锈钢基底的膜基结合强度[13]。如果膜基结合强度不够高，基底表面依旧容易发生腐蚀、磨损，增加强度的方法主要是在自组装之前对基底表面进行活化处理，传统的活化处理方法是利用强氧化性溶液与基底表面发生反应，以提高基底表面的活性[14]，虽然这种方法效果显著，但是使用强氧化性溶液会对金属基底表面造成破坏，同时该方法难以应用于一些对表面精度要求高的场合。

本文采用一种更方便安全并且不会损坏基底的活化方法来辅助自组装成膜，即使用UV/O3处理来活化基底。UV/O3处理不仅能够去除不锈钢表面污染物，还能产生一定程度的表面氧化，形成新鲜氧化层[15]。该新鲜氧化层具有较高的表面活性，表面能也较大，对高分子聚合物具有较强的吸附作用；而PDMS分子中氧原子电负性较强，容易被不锈钢表面新鲜氧化层吸附并紧密结合[16]。吸附到表面的PDMS分子之间依靠范德华作用，在不锈钢表面紧密排列[17]，最终形成致密的PDMS自组装膜。文中通过试验研究了PDMS自组装膜的最佳制备条件，同时还验证了自组装膜的防护性能。

1 试验

1.1 样品预处理

本文使用的316L不锈钢样品尺寸为10 mm× 4 mm，购于泰州大徐金属材料有限公司，其化学成分见表1[18]。为降低316L不锈钢表面机械损伤层、氧化层对自组装过程的影响，需要先对其进行机械研磨抛光处理，从而获得较为光滑的不锈钢表面。本试验所用的不锈钢是在同一时间和相同操作步骤下处理完成的。首先，将不锈钢用无水乙醇超声清洗、高压氮气吹干；然后，依次使用规格为100目、400目、1500目、2000目的砂纸对不锈钢逐级打磨；最后，依次使用型号为w3.5、w1.5的金刚石研磨膏在抛光机上将不锈钢表面抛光至镜面光亮，使用无水乙醇超声清洗、高压氮气干燥，至此机械抛光处理结束。

表1 316L不锈钢的化学成分

1.2 自组装膜制备

先称取0.5 g分析纯PDMS（聚二甲基硅氧烷，Dow Corning公司，美国）放入烧杯，向烧杯中加入无水乙醇至混合溶液体积达到100 mL，再使用磁力搅拌机搅拌1 h，制得质量浓度为5 mg/mL的PDMS混合溶液[19]。将抛光后的不锈钢依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗10 min，利用去离子水冲洗样品表面、高压氮气干燥。设定UV/O3清洗机（PSDP UV-8T型，Novascan公司，美国）的处理温度为70 ℃，将不锈钢样品放入其中进行一定时间（5、10、20、30、60 min）的UV/O3预处理；预处理完成后，立即将不锈钢样品浸泡在PDMS混合溶液中，按试验需要浸泡一定时间（0.5、1、1.5、2、6 h）后取出，用无水乙醇和去离子水淋洗，并用高压氮气吹干，最后进行固化处理（120 ℃下烘烤1 h），至此自组装膜制备完毕。

1.3 表征方法

本文使用全自动滴液接触角测量仪（PT-705-B型，普赛特检测设备有限公司，东莞）测量UV/O3预处理后的样品以及自组装样品表面的水接触角，试验中所用水滴的体积为2 μL，测试温度为25 ℃，测试相对湿度为(50±5)%。利用原子力显微镜（AFM；E-sweep型，Hitachi公司，日本）和氮化硅（Si3N4）针尖（MLCT型，Veeco Instruments Inc，美国）对样品进行表面形貌和粗糙度检测。使用电化学工作站（CHI-660E型，上海辰华仪器有限公司，上海）测试样品的极化曲线，测量电极为三电极体系，316L不锈钢作为工作电极，放入专用PEEK材料样片支持体中，露出工作面积为0.196 cm2[20]，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片电极，腐蚀介质为质量分数3.5%的NaCl溶液[21]，动电位极化曲线扫描范围为–500～+500 mV（相对于开路电位），扫描速率为1 mV/s。交流阻抗测试是在开路电位下进行的，频率扫描范围为10–2～105Hz，交流幅值为5 mV。采用摩擦磨损试验机（UMT Tribolab型，Bruker，美国）测试不锈钢样品的耐磨性能。使用金相显微镜（MV3000型，江南永新光学有限公司，南京）观察对比腐蚀前后的样品，以此来进一步判断自组装膜的耐腐蚀性能。通过X射线光电子能谱仪（Axis Supra型，Kratas公司，日本）表征不锈钢样品表面的化学成分组成。使用光谱椭偏仪（M-2000V型，J. A. Woolam公司，美国）测量PDMS自组装膜的膜厚。

2 结果及分析

2.1 UV/O3处理时间对不锈钢表面的影响

UV/O3清洗机能够释放出2种波长（184.9 nm和253.7 nm）的紫外线，在UV/O3处理过程中，氧气会变为臭氧；在紫外线和臭氧的共同作用下，可在材料表面产生羟基，从而提高材料表面的亲水性[22]。从图1中黑色曲线可以看出不同处理时间下316L不锈钢表面的水接触角变化趋势：原始不锈钢在经过10 min的UV/O3处理后，表面水接触角由75°迅速下降到26°，随着UV/O3处理时间的继续增加，水接触角在20 min时缓慢下降到17°，随后基本趋于稳定。这表明UV/O3处理不锈钢表面能产生大量的羟基以提高其亲水性，且随着照射时间增加，其亲水性逐渐降低并趋于稳定。同时，本文用AFM对不锈钢表面进行了原位形貌扫描和表面粗糙度测量，从图1中橙色曲线可以看出不锈钢表面粗糙度随UV/O3处理时间的变化规律：原始不锈钢表面在经过20 min的UV/O3处理后，由于不锈钢表面的有机污染物被去除，表面粗糙度由3.5 nm迅速降低到2.3 nm，当处理时间继续增加时，不锈钢表面被进一步氧化[15]，导致粗糙度又轻微增加。基底表面的粗糙度以及亲疏水性会影响分子自组装的成膜效果，更亲水的基底表面能增加膜基结合强度，光滑的基底表面被认为能够形成质量更高的自组装膜[23]。所以本文选用经过UV/O3预处理20 min的不锈钢作为自组装试验的样品，此时的不锈钢样品表面兼具亲水性最好和粗糙度最低的优点。

图1 不同UV/O3预处理时间下316L不锈钢表面的粗糙度和水接触角（图中误差带为标准误差）

2.2 自组装时间对自组装成膜效果的影响

PDMS自组装膜的成膜效果主要表现在它的亲疏水性能以及防腐蚀性能上，因为亲疏水性是最直观和最便于检测的，所以首先测量水接触角。将经过20 min UV/O3预处理后的316L不锈钢进行一定时间（0、0.5、1、1.5、2、6 h）的PDMS自组装试验，随后测量接触角，其结果如图2所示：原始不锈钢样品在UV/O3处理后的水接触角为17°，表明基底表面呈亲水性；随着自组装时间增加，基底表面水接触角增大；自组装时间为0.5 h时基底表面接触角最大；此后，随着自组装时间增加，水接触角稍微降低，但总体稳定在106°以上，都表现为疏水性。由此可见，自组装时间为0.5 h时，不锈钢表面已经形成了比较完整的PDMS自组装膜，此时的水接触角为111°，最接近PDMS样品本身的水接触角（116°），说明自组装成膜效果非常优异，表现出良好的疏水性。

图2 不同自组装时间下316L不锈钢表面的水接触角（图中误差带为标准误差）

为进一步研究自组装时间对成膜效果的影响，使用电化学极化曲线测试表征其防腐蚀性能。316L不锈钢经过20 min UV/O3处理后进行了一定时间（0、0.5、1、1.5、2、6 h）的PDMS自组装试验，随后分别测试极化曲线，其结果如图3所示，与之相对应的电化学参数及拟合结果如表2所示。其中corr为腐蚀电位；为腐蚀电流密度，corr=corr/（corr为腐蚀电流，为露出工作面积，本试验中=0.196 cm2)；为计算得到的缓蚀效率，其计算公式如（1）式所示[24]，其中，corr0为原始不锈钢样品的腐蚀电流密度，corr为不同自组装时间下不锈钢样品的腐蚀电流密度。

表2 与图3相对应的极化曲线参数

从图3和表2中可以看出自组装后的不锈钢与原始不锈钢相对比，腐蚀电位均向正移，说明PDMS自组装膜为阳极型缓蚀膜。虽然腐蚀电位的变化微弱，但电流密度大幅度降低，说明PDMS自组装膜起到了明显的缓蚀作用。其中，自组装时间为0.5 h的不锈钢测得的腐蚀电位正移值最大，腐蚀电流密度下降得最多，计算得到的缓蚀效率也最高，达到90.51%。

随着自组装时间增加，缓蚀效率有所降低，这可能是由于自组装时间增加会降低自组装膜的质量，如表面产生分子局部团聚，此类状况会导致自组装膜的防腐蚀性能下降。运用AFM检测不同自组装时间下的原位表面粗糙度，其结果如图4所示。原始不锈钢样品在自组装0.5 h后表面粗糙度由3.5 nm迅速降低到2.1 nm；随着自组装时间增加，表面粗糙度逐渐增加。由检测结果可推测，随着浸泡开始，UV/O3预处理产生的活性新鲜氧化层迅速吸附PDMS分子，膜厚逐渐增加。当浸泡时间为0.5 h时，不锈钢表面已经形成了较为均匀的自组装膜，粗糙度最低。此时，UV/O3预处理产生的新鲜氧化层已基本上被覆盖，导致表面活性显著降低。随着浸泡时间继续增加，PDMS分子由于缺少不锈钢表面活性氧化层的定向吸附作用，可能产生表面分子的局部团聚，导致粗糙度有所增加。

图4 不同自组装时间下不锈钢表面的粗糙度（图中误差带为标准误差）

综合以上试验结果，本文认为PDMS自组装膜能够有效提升不锈钢表面的疏水性能，从而在一定程度上抑制腐蚀溶液与不锈钢基底接触，自组装膜还能够抵抗腐蚀性离子侵入不锈钢基底表面；PDMS自组装膜的最佳自组装时间为0.5 h，这样就能够得到缓蚀效率最高的自组装膜，其耐腐蚀性能最为优异。

2.3 UV/O3预处理对自组装成膜效果的影响

本试验使用XPS光电子能谱表征不锈钢表面的化学元素，其X射线源为单色化Al Kα（1 486.6 eV），检测的样品分别为原始不锈钢样品（0-SS）、直接自组装0.5 h的不锈钢样品（0-SS-SA）、经UV/O3处理20 min后再自组装0.5 h的不锈钢样品（20-SS-SA）。由图5a可以看出直接自组装样品和UV/O3处理后再自组装样品的全谱主要由O 1s、C 1s和Si 2p信号峰组成。而原始不锈钢表面的全谱主要由O 1s、C 1s信号峰组成，并没有Si 2p信号峰。图5b展示了全谱的放大图，可以看出只有直接自组装样品和UV/O3处理后再自组装样品的表面检测到位于102.1 eV的Si 2p信号峰[25]，这是因为不锈钢PDMS自组装完成后的表面才含有Si元素。

图5 原始不锈钢、直接自组装不锈钢、经UV/O3处理后自组装不锈钢的XPS能谱图

本文还对XPS的测试数据进行了更细致的分析。如图6所示为3种不锈钢样品表面的O 1s核心能级谱，由图6a可以看出，原始不锈钢表面的O 1s核心能级谱主要含有3种官能团，分别是位于531.2 eV的C==O、位于532.6 eV的C—O以及位于529.8 eV的氧化物[26]。由图6b和图6c可以看出，直接自组装不锈钢和UV/O3处理后再自组装的不锈钢表面的O 1s核心能级谱还包含有其他2种官能团，分别是位于531.8 eV的O—Si—C和位于533.7 eV的Si—OH[26]，其中O—Si—C来自PDMS，这就直接证实了不锈钢表面成功自组装了PDMS自组装膜。

从图6可以看出，2种方式自组装后样品表面的C==O含量均有所减少，这是因为自组装之后样品表面含有C==O的杂质被自组装膜覆盖，且经UV/O3处理之后样品表面的此类杂质被进一步去除，所以C==O的含量更低。另一方面，直接自组装样品和经UV/O3处理后自组装样品的O—Si—C的含量比很接近，都在85%～87%，这是因为XPS的探测深度只有几纳米，如果膜厚太厚，XPS只能测得PDMS自组装膜中的化学成分组成，导致测得的O—Si—C含量比接近，于是通过光谱椭偏仪测量样品表面PDMS自组装膜的膜厚（取样品表面两次测量结果的均值为最终结果），测得直接自组装样品表面的自组装膜厚度为51.55 nm，经UV/O3处理后再自组装样品表面的自组装膜厚度为58.55 nm。因此，XPS元素测定仅能证实不锈钢表面成功自组装了PDMS自组装膜，无法证明UV/O3预处理对于不锈钢表面自组装成膜有积极影响，因此又设计了电化学验证试验。

图6 不同处理方式下不锈钢样品表面的O 1s核心能级谱

首先测试了不同处理方式下样品的极化曲线，图7为原始不锈钢样品、直接自组装样品和经UV/O3预处理再自组装样品的极化曲线，其相对应的电化学参数及拟合结果如表3所示。由图7和表3可知：直接自组装和经UV/O3处理再自组装的不锈钢样品相较于原始不锈钢样品，腐蚀电位均向正移，腐蚀电流密度均下降，说明这2种方式处理下形成的自组装膜都起到了防腐蚀的作用。但是经UV/O3处理后再自组装的不锈钢样品相较于直接自组装样品，测得的腐蚀电位正移更多、腐蚀电流密度更低、计算得到的缓蚀效率明显更高，说明UV/O3预处理对基底的活化作用确实对不锈钢表面自组装成膜效果有积极影响，它能提高PDMS自组装膜与基底的结合强度，更好地抵御外界溶液的腐蚀。

随后对不同处理方式下样品进行了电化学EIS测试。图8为原始不锈钢样品、直接自组装样品和经UV/O3预处理再自组装样品的Nyquist谱图以及对交流阻抗谱图拟合所用的等效电路，等效电路中s为溶液电阻，d为电极表面的双电层电容，t,fe为不锈钢电极与溶液之间的电荷转移电阻。拟合结果如表4所示，为计算得到的自组装膜覆盖率，其计算公式如（2）式所示[27]，其中0t,fe和t,fe分别表示原始不锈钢电极和自组装之后不锈钢电极的电荷转移电阻。

图7 不同处理方式下不锈钢电极的极化曲线

表3 与图7对应的极化曲线参数

图8 不同处理方式下不锈钢电极的Nyquist阻抗谱图

表4 交流阻抗等效电路拟合的电化学参数

由表4结果可知，自组装之后不锈钢电极的t,fe均大于原始不锈钢电极的0t,fe，且经UV/O3预处理再自组装样品的t,fe更大，这也与极化曲线的结论一致，说明不锈钢表面形成的PDMS自组装膜具有保护不锈钢电极的作用。UV/O3预处理能提高不锈钢的表面能，增强表面吸附PDMS分子的能力，使自组装膜的膜-基结合更牢固，覆盖率大幅提升（达到86.9%）。因此，UV/O3预处理辅助成膜能有效遏制腐蚀溶液接触不锈钢表面，抵抗腐蚀性离子侵入不锈钢基底，从而提高其抗腐蚀能力在腐蚀溶液中的长期有效性。

本文还通过腐蚀试验进一步检验了自组装膜抗腐蚀性能的长期有效性。以不锈钢在高浓度盐酸溶液中浸泡一定时间，模拟不锈钢在普通腐蚀溶液中长期浸泡的工况。图9为不同处理方式下的3种样品分别在1 mol/L的HCL溶液中浸泡6 h前后的形貌对比。浸泡后，3种样品均受到一定程度的腐蚀：原始不锈钢样品腐蚀后，表面划痕加深且出现了面积大且深度较深的腐蚀坑，发生了严重腐蚀；直接自组装样品在腐蚀后产生较浅的腐蚀坑，发生了一定程度的腐蚀；经UV/O3预处理再自组装的样品经过腐蚀后，表面几乎没有腐蚀坑，仅仅发生了轻微腐蚀。这也验证了电化学测试的结果，进一步说明UV/O3预处理对基底的活化作用提升了不锈钢表面的自组装成膜效果，经UV/O3预处理后再自组装形成的PDMS自组装膜具有长期有效的抗腐蚀性能。

图9 316L不锈钢腐蚀前后的形貌对比

2.4 PDMS自组装膜对摩擦学性能的影响

本文用摩擦磨损试验机分别测试了不同处理方式下的3种样品与GCr15钢球对摩时摩擦因数随磨损时间的变化规律，以此来研究316L不锈钢表面PDMS自组装膜对摩擦学性能的影响。试验使用的偶件为6 mm的GCr15钢球，施加载荷大小为0.2 N[28]，使用往复磨损模式，往复运动的行程为2 mm，速度为2 mm/s。测试结果如图10所示，对于原始316L不锈钢（0-SS），刚接触时摩擦因数迅速增大并逐渐稳定在～0.85，表明一开始就发生了磨损[29]。直接自组装样品（0-SS-SA）在摩擦的前140 s内摩擦因数稳定在0.2～0.3之间，140 s后急剧增加，表明此时自组装膜被磨穿。经UV/O3预处理再自组装样品（20-SS-SA）在摩擦的前530 s内摩擦因数稳定在0.2～0.3之间，530 s后急剧增加，说明此时自组装膜被磨穿。由试验结果可知，未经UV/O3预处理在不锈钢表面所形成的PDMS自组装膜能起到一定的耐磨作用，而经UV/O3预处理再自组装形成的PDMS自组装膜展现出了优异的减摩耐磨性能。这是因为UV/O3预处理能增强不锈钢表面对PDMS分子的吸附作用，形成的自组装膜与不锈钢表面的膜-基结合牢固，不容易被磨损破坏。另一方面，经UV/O3预处理再自组装形成的PDMS自组装膜，表面致密性好，能够有效降低表面能，疏水性好且黏着力小，可减小因相对运动产生的摩擦力[30]。

图10 摩擦因数随时间变化的曲线

3 结论

1）UV/O3处理能改变316L不锈钢表面的亲疏水性能和表面粗糙度，UV/O3处理时间为20 min时能得到兼具高亲水性和低表面粗糙度的316L不锈钢表面。

2）UV/O3预处理能够通过活化基底来提高不锈钢表面吸附PDMS分子的能力，从而增加膜-基结合强度，提升不锈钢表面自组装膜的致密性，提高PDMS自组装膜的防护性能。先经UV/O3处理20 min后再进行0.5 h自组装能够在316L不锈钢表面形成高质量的PDMS自组装膜。

3）与原始不锈钢、未经UV/O3预处理直接自组装的不锈钢相比，经UV/O3预处理后再自组装成膜的不锈钢具备更优异的耐腐蚀和抗磨损性能。

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Ultraviolet/Ozone Assisted the Formation of PDMS Self-assembled Film on Stainless Steel and Its Properties

,,,

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Stainless steel (SS) is prone to fail in the environment with high concentration of chloride ions, so it is critical to concentrate on its protection technology for improving the applications. Under the premise of not damaging the surface of stainless steel, and further developing the corrosion resistance and wear resistance of 316L stainless steel by self-assembly (SA) technology, we prepared PDMS self-assembled film on the surface of stainless steel with the assistance of UV/O3pretreatment. Before the film preparation, 316L stainless steel was cut into cylinders of10 mm×4 mm as the film-forming substrate, and then mechanically polished with sandpaper and diamond abrasion paste for achieving a smooth surface. During the experiment, the stainless steel was first treated with UV/O3assisted pretreatment to increase its surface activity, and then the polydimethylsiloxane (PDMS) self-assembled film was obtained on the pretreated stainless steel surface by immersion method. Atomic force microscope (AFM), water contact angle tester, electrochemical workstation, X-ray photoelectron spectrometer and other equipment were utilized to analyze the effect of UV/O3treatment time on the surface of 316L stainless steel and the impact of self-assembly time on corrosion resistance. In addition, hydrochloric acid corrosion experiment simulated the long-term immersion of stainless steel in corrosion solution, which can verify the long-term effectiveness of corrosion resistance of the PDMS self-assembled film. A multifunctional friction and wear testing machine was employed to study the wear resistance of 316L stainless steel. It seems from the experimental results that when the UV/O3treatment time was 20 min, the surface of 316L stainless steel presented great hydrophilicity, and the roughness was also the lowest at this time. After obtaining PDMS self-assembled film, the corrosion inhibition efficiency of 316L stainless steel was significantly improved, and the highest corrosion inhibition efficiency reached 90.51% when the self-assembly time was 0.5 h. Meanwhile, the self-assembled film formed with UV/O3pretreatment for 20 min presented higher corrosion inhibition efficiency and higher coverage than the self-assembled film formed without UV/O3pretreatment. Hydrochloric acid corrosion experimental test showed that the surface of the stainless steel after self-assembly with UV/O3pretreatment presented excellent performance to resist long-term corrosion. Further friction and wear test results showed that the friction coefficient of 316L stainless steel which obtained the PDMS self-assembled film decreased from 0.85 to 0.25. The surface of the stainless steel after self-assembly without UV/O3pretreatment began to be worn at 140 s, but the surface of the stainless steel after self-assembly with UV/O3pretreatment began to wear at 530 s.

In conclusion, under the premise of not damaging the surface of stainless steel, UV/O3treatment is the most suitable way to activate the surface of stainless steel, which can promote the bonding strength between the film and the stainless steel, and can improve the performances of self-assembled film. The optimal experimental parameters to successfully form the film with best corrosion resistance and wear resistance on the 316L stainless steel substrate can be summarized as 20 min UV/O3pretreatment followed by self-assembly at 25 ℃ for 0.5 h. This strategy significantly reduces the risk of failure of stainless steel in high-concentration chloride ion environment, and also improves the wear resistance of stainless steel surface.

ultraviolet/ozone (UV/O3) treatment; surface modification; polydimethylsiloxane (PDMS); self-assembly; materials protection; stainless steel

Tg172；TH117

A

1001-3660(2022)12-0142-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.014

2021–10–15；

2022–02–25

2021-10-15；

2022-02-25

唐嘉杭（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为材料表面防护。

TANG Jia-hang (1996-), Male, Master, Research focus: material surface protection.

余丙军（1981—），男，博士，副研究员，主要研究方向为微纳加工与纳米摩擦学。

YU Bing-jun (1981-), Male, Doctor, Assistant professor, Research focus: micro-nano fabrication and nano tribology.

唐嘉杭, 任晔炜, 崔立聪, 等. 紫外/臭氧辅助不锈钢表面聚二甲基硅氧烷自组装膜的形成及其性能研究[J]. 表面技术, 2022, 51(12): 142-150.

TANG Jia-hang, REN Ye-wei, CUI Li-cong, et al. Ultraviolet/Ozone Assisted the Formation of PDMS Self-assembled Film on Stainless Steel and Its Properties[J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 142-150.

责任编辑：万长清