镁合金表面二氧化锰超疏水涂层的制备及其性能研究

作     者：荀晓伟 

作者单位：华东交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：万怡灶

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：镁合金 二氧化锰 溶液浸渍法 超疏水 

摘      要：镁合金因具有良好的机械性能和生物可降解性,在航空航天和生物医学等领域得到了广泛的应用。然而,过快的腐蚀速率和缺乏其他的表面功能严重阻碍了镁合金在现实中的应用。仿生超疏水表面不仅可以提高镁合金的耐腐蚀性能,而且还可以使镁合金具有自清洁和抗生物污损等多种功能,这些优良特性为镁合金表面功能化提供了新思路。二氧化锰(Mn O)具有多种晶体结构,可以制备成具有不同表面形貌的涂层,有望广泛用于超疏水表面的制备。基于此,本论文以AZ31B镁合金作为研究对象,采用工艺简单的溶液浸渍法在镁合金表面制备了具有多种功能的Mn O超疏水涂层,并对Mn O超疏水涂层的润湿性、耐久性、耐腐蚀、自清洁和抗生物污损等性能进行了系统的研究。首先,本论文以硫酸锰(Mn SO)溶液为原料,在不使用强氧化剂的条件下,采用溶液浸渍法在镁合金表面制备了Mn O涂层,并选择绿色环保的硬脂酸对所制备的Mn O涂层进行了疏水化处理。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)结果表明制备的涂层主要成分为Mn O,Mn O的生成是因为镁合金在Mn SO溶液中发生了水解析氢反应以及氧化反应。通过调节浸渍时间和Mn SO溶液浓度可以调控Mn O涂层的表面形貌和表面粗糙度。XPS结果表明,硬脂酸可以通过络合作用与涂层表面的Mn O结合实现涂层疏水化处理的目的,通过调控硬脂酸自组装时间可以制备出Mn O超疏水涂层。其次,通过优化Mn O涂层的制备参数,使用一步溶液浸渍法在镁合金表面制备出了由球状颗粒堆积而成的Mn O涂层,硬脂酸疏水化处理后得到了极稳固的超疏水镁合金材料。制备的超疏水镁合金在空气和油(异辛烷)中均具有良好的超疏水性能(CA分别高达160.5±5.4°和167.5±3.6°)和极低的CA滞后。耐久性测试发现,样品在经历100次弯曲/扭转、60次划刻、或2 h水流冲击剪切后,其表面的CA仍大于150°,表明Mn O超疏水涂层具有良好的稳固性。超疏水镁合金还具有良好的化学稳定性,不同p H值的溶液不会对样品表面的超疏水性能造成影响。此外,相比于未处理的镁合金材料,Mn O超疏水涂层还具有良好的耐腐蚀性能和优良的自清洁性能,拓展了其在工业领域的广泛应用。最后,为了进一步减少涂层表面的网状裂纹,本论文改进了涂层的制备工艺,使用两步溶液浸渍法在镁合金表面制备出无可见网状裂纹的Mn O涂层,使用硬脂酸疏水化处理后得到了兼具高结合力以及高粗糙度的超疏水镁合金材料。超疏水镁合金表面具有良好的超疏水性能(CA=156.9±3.7°)以及对水滴具有极低的黏附力。Mn O超疏水涂层经过5个磨损循环、外力弯折或4 h紫外照射后,样品表面仍保持超疏水状态,表明超疏水镁合金材料具有良好的耐久性。由于涂层与基材具有良好的结合力,所以使用该方法可以制备出具有三维精细结构的超疏水镁合金样品。此外,Mn O超疏水涂层具有良好的耐腐蚀性能和抗生物污损,可以显著地降低镁合金在模拟体液(SBF)中的腐蚀速率,有效抑制材料表面生物污损的形成,有望应用于医疗器械领域。综上所述,本文通过优化溶液浸渍法的制备参数,改进制备工艺,在镁合金表面制备出了具有高表面粗糙度和高结合力的Mn O涂层,使用硬脂酸对Mn O涂层进行疏水化处理后得到了具有高稳固性的多功能超疏水镁合金材料。该材料不仅具有良好的超疏水性能,还具有耐腐蚀、自清洁和抗生物污损等多种功能,因而有望被广泛应用于工业以及医疗器械等领域。