一种MXene复合防腐涂层及其制备方法和应用

本发明涉及铝合金表面处理，尤其是涉及一种mxene复合防腐涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铝合金在酸性溶液中腐蚀严重，长期寻求对金属的长期保护战略可以减少经济损失和安全风险，防腐涂层是保护金属的一种常用方法。在有机、无机和混合保护涂层中，高效、低成本、快速制备的有机涂层得到了广泛的研究。

2、但高温固化导致的裂纹和微孔的结构缺陷使得腐蚀性介质(如cl-、水、o2等)易于穿透涂层，腐蚀金属表面，限制其长期防护能力。二维(2d)mxene基复合涂层对特殊条件下的金属具有良好的防腐前景，因为纳米片可以避免缺陷，延长腐蚀介质的扩散路径。基于其物理结构和表面性能，将mxene纳米片作为有效的填料，提高了涂层的耐蚀性。

3、现有技术中，工作主要集中在表面功能化、mxene的取向控制、自愈合行为以及特殊环境下的抗腐蚀性能。ahadiparsa等[1]人使用磺化苯胺对多烯进行改性，以提高钢上环氧涂层的防腐性能。在酸性环境下，lu等[2]人设计了ti3c2tx(t)-炭黑(c)-丙烯酸环氧树脂(ae)涂层，用于模拟质子交换膜燃料电池(pemfc)环境中不锈钢双极板的防腐。

4、然而，复合涂层在复杂的功能化和取向控制方面仍面临着挑战。特别是，尽管mxene基涂层在酸性环境下具有防腐作用，但其稳定性和防腐机制尚不清楚。因此，寻找一种环境友好、制备简单、成本效率高的金属表面处理技术至关重要。

5、[1]m.ahadiparsa,a.dehghani,b.ramezanzadeh,sulfonated polyaniline-grafted two-dimensional ti3c2-mxene(spani-mxene)nanoplatform for designing anadvanced smart self-healable coating system,acs appl.mater.interfaces 15(20)(2023)24756–24768.

6、[2]b.yang,g.zhang,j.dong,s.tang,l.zhang,z.wu,d.bin,y.song,h.lu,ati3c2tx-carbon black-acrylic epoxy coating for 304ss bipolar plates withenhanced corrosion resistant and conductivity,int.j.hydrog.energy 47(80)(2022)34244–34256.

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种mxene复合防腐涂层及其制备方法和应用。本发明基于mxene的可调控的二维结构和表面化学特性、优异的阻隔性能、高径厚比、超薄厚度、优异的化学稳定性及机械性能，结合表面预处理、硅烷和金属盐，在恒电位电场作用下，实现没有进一步结构调控的情况下在金属基体上电沉积制备mxene复合防腐涂层。本发明的mxene复合防腐涂层极大提高了铝合金在酸性环境中的耐蚀性能，可以应用于质子交换膜燃料电池双极板表面防护。另外，本发明制备简单，成本低廉。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种mxene复合防腐涂层的制备方法，具体步骤如下：

4、s1、预处理铝合金；

5、s2、制备沉积液a：将氯化钙加入乙醇溶液中混合均匀，搅拌制得沉积液a；

6、s3、将恒电位仪的正负两极分别连接步骤s1中制得的预处理后的空白铝合金和铂电极，以步骤s2中制得的沉积液a为电解液，步骤s1中制得的预处理后的空白铝合金作为阴极，铂电极作为阳极进行电沉积，在预处理后的空白铝合金表面制得氯化钙涂层；

7、s4、制备沉积液b：将十二烷基三甲氧基硅烷、氯化铈、硝酸锌依次加入乙醇溶液中混合均匀，然后将mxene分散液加入混合均匀的溶液中，搅拌制得沉积液b；

8、s5、将恒电位仪的正负两极分别连接步骤s3中制得的涂覆氯化钙涂层的铝合金和铂电极，以步骤s4中制得的沉积液b为电解液，步骤s3中制得的涂覆氯化钙涂层的铝合金作为阴极，铂电极作为阳极进行电沉积，在铝合金表面制得mxene复合防腐涂层。

9、进一步地，步骤s1中，所述铝合金为5052铝合金。

10、进一步地，步骤s1中，所述预处理铝合金的具体步骤如下：

11、s1-1、将铝合金表面打磨，超声清洗；

12、s1-2、将步骤s1-1中制得的清洗后的铝合金在酸溶液中进行酸洗，得到酸洗后的铝合金；

13、s1-3、将步骤s1-2中制得的酸洗后的铝合金依次放入去离子水和植酸溶液中进行超声；

14、s1-4、将超声后的铝合金高温固化后得到预处理铝合金。

15、上述更进一步地，步骤s1-1中，所述打磨的具体步骤为：将铝合金依次经过400目、1000目、1500目、2000目的水磨砂纸进行打磨。

16、上述更进一步地，步骤s1-1中，所述超声清洗的具体步骤为：将打磨后的铝合金置于乙醇溶液中，超声清洗，再依次用去离子水及无水乙醇超声清洗，除去铝合金表面油污和粉尘。

17、上述更进一步地，步骤s1-1中，所述超声时间为10～20min，优选为15min。

18、上述更进一步地，步骤s1-2中，所述酸溶液为盐酸，所述盐酸浓度为30％～40％，优选为37％；

19、所述酸洗时间为10～20min，优选为15min。

20、上述更进一步地，步骤s1-3中，所述植酸溶液浓度为0.8～1.2wt.％，优选为1wt.％；

21、所述超声时间为10～20min，优选为15min。

22、上述更进一步地，步骤s1-4中，所述固化温度为50～60℃，优选为70℃，所述固化时间为10～20min，优选为15min。

23、进一步地，步骤s2中，所述沉积液a中氯化钙浓度为0.4～0.6m；优选为0.5m。

24、所述乙醇溶液体积分数为99.3％，

25、进一步地，步骤s2中，所述搅拌温度为常温，搅拌时间为10～20min，优选为15min。

26、进一步地，步骤s3中，所述电沉积的电压为5-40v，优选为30v；时间为5-40min，优选为30min。

27、进一步地，步骤s4中，十二烷基三甲氧基硅烷：氯化铈：硝酸锌：乙醇溶液：mxene分散液＝1.5～2.5ml：0.7～0.8g：30～50mg：40～60ml：1ml，优选为，氯化铈：硝酸锌：乙醇溶液：mxene分散液＝2ml：0.74g：40mg：50ml：1ml。

28、进一步地，步骤s4中，所述mxene分散液为ti3c2tx mxene单层分散液，所述mxene分散液的浓度为4～6mg/ml，优选为5mg/ml。

29、进一步地，步骤s4中，所述搅拌温度为常温，搅拌时间为10～20min，优选为15min。

30、进一步地，步骤s5中，所述电沉积的电压为5-40v，优选为30v；时间为5-40min，优选为30min。

31、进一步地，步骤s5之后设有步骤s6、将电沉积后铝合金高温固化后在铝合金表面制得完整、稳定且结合力强的mxene复合防腐涂层。

32、上述更进一步地，所述固化温度为50～60℃，优选为70℃，所述固化时间为20～40min，优选为30min。

33、此外，本发明还提供一种mxene复合防腐涂层，所述mxene复合防腐涂层由上述制备方法制备得到，所述mxene复合防腐涂层包括：

34、形成于铝合金表面的氯化钙涂层；

35、以及，覆盖于氯化钙涂层上的mxene层。

36、进一步地，所述氯化钙涂层表面含有裂痕。

37、所述mxene层均匀的分布于氯化钙涂层上，所述mxene层覆盖于裂痕上方。

38、此外，本发明还提供一种mxene复合防腐涂层的铝合金制件，所述铝合金制件应用于在海洋、石油、化工、煤炭或医疗卫生领域。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果如下所示：

40、1)本发明制备所得的mxene复合防腐涂层用在质子交换膜燃料电池双极板表面防护。在酸性环境(0.5m h2so4+2ppm hf溶液)下，通过电化学测试对其防腐性能进行研究，结果表明mxene复合涂层的腐蚀电流密度可达到9.284×10-7a/cm2，其值与预处理后的空白铝合金相比降低了4个数量级，mxene复合涂层的低频阻抗模量|z|0.01hz与预处理后的空白铝合金相比提高了约3个数量级，保护效率高达99.92％，表现出了优异的耐蚀性能。

41、2)本发明提供的一种在铝合金双极板上电沉积法构筑mxene复合防腐涂层的方法。基于mxene的可调控的二维结构和表面化学特性、优异的阻隔性能、高径厚比、超薄厚度、优异的化学稳定性及机械性能，结合表面预处理、硅烷和金属盐，在恒电位电场作用下，实现没有进一步结构调控的情况下在金属基体上电沉积制备mxene复合防腐涂层。本发明的mxene复合防腐涂层极大提高了铝合金在酸性环境中的耐蚀性能，且本发明通过两步沉积是为了增加mxene复合防腐涂层的涂层厚度，可以应用于质子交换膜燃料电池双极板表面防护。另外，本发明制备简单，成本低廉。