李敏嬌，李志源，張述林，熊 苗

(四川理工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，四川自貢 643000)

不銹鋼表面涂覆TiO2薄膜的耐蝕性研究

李敏嬌，李志源，張述林，熊 苗

(四川理工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，四川自貢 643000)

以鈦酸丁酯為原料，采用溶膠-凝膠技術(shù)，在不添加其他溶劑的情況下在201型不銹鋼基體上制備了TiO2薄膜，采用金相顯微鏡觀察薄膜表面形貌，利用X-射線衍射儀對(duì)其晶型進(jìn)行了表征，同時(shí)測(cè)量了薄膜試樣的極化曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在不銹鋼表面涂覆TiO2薄膜能夠增強(qiáng)不銹鋼基體的耐蝕性。

二氧化鈦薄膜;溶膠-凝膠;不銹鋼;耐蝕性

引言

提高不銹鋼在含有氯離子的介質(zhì)中的耐蝕性能，一直是世界各國(guó)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。TiO2納米晶薄膜由于具有特殊的物理化學(xué)性能，已經(jīng)在半導(dǎo)體、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、催化劑、高能電池及環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，周幸福等人［2］采用電化學(xué)方法合成了前驅(qū)體鈦酸乙酯［Ti(OEt)4］，再經(jīng)過(guò)溶膠-凝膠過(guò)程在不銹鋼表面制備了TiO2納米晶膜，提高了不銹鋼在硫酸介質(zhì)中的耐蝕性能，所得TiO2納米晶膜均勻完整，晶粒d為20nm，晶型結(jié)構(gòu)主要為銳鈦礦型。崔婷等［3］采用溶膠-凝膠法在清潔的玻璃表面上成功制備了均勻透明的納米TiO2薄膜，并用X-射線衍射儀，掃描電鏡，紅外光譜儀和接觸角測(cè)定儀等對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明:薄膜由20～45nm的TiO2球型顆粒組成，膜表面均勻，結(jié)構(gòu)致密，具有平整的組織結(jié)構(gòu)。

本文采用溶膠-凝膠法在201型不銹鋼片上制備一層二氧化鈦薄膜，通過(guò)金相顯微鏡觀察膜的表面形貌;利用X-射線衍射儀對(duì)其晶型進(jìn)行了表征，同時(shí)通過(guò)極化曲線方法研究了試樣的耐腐蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

儀器:X-射線衍射儀(DX-2600，丹東方圓儀器有限公司，Cu Kα，35 kV，20mA)，金相顯微鏡(上海雷磁儀器廠)，CHI440A電化學(xué)工作站，HJ-8系列磁力攪拌器，電溫恒熱干燥箱，超聲清洗儀，馬弗爐。

藥品:鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇、三乙醇胺及丙酮(均為分析純)。

1.2 TiO2薄膜的制備

1.2.1 基體的預(yù)處理

將201型不銹鋼片用純凈水刷洗干凈后浸入無(wú)水乙醇中超聲清洗1h，再浸入丙酮溶液中清洗，烘干后備用。

1.2.2 二氧化鈦溶膠的配制

將鈦酸丁酯溶液和三乙醇胺溶液相混合，得到溶液A，把溶液A加入到一定量的無(wú)水乙醇中得到溶液B，高速攪拌溶液B(1 450r/min)2h，然后逐滴加入水和無(wú)水乙醇的混合物，繼續(xù)高速攪拌，最終得到淺黃色透明TiO2溶膠［3］。

1.2.3 TiO2薄膜的制備

將處理后的不銹鋼片浸入到TiO2溶膠中，然后以2mm/s的提拉速度取出，在不銹鋼表面上得到TiO2濕膜，把濕膜試樣在80℃下干燥5 min后再在空氣中冷卻至室溫，分別控制重復(fù)浸漬次數(shù)為3、5及7次進(jìn)行提拉涂膜。不銹鋼表面涂膜完成后，先在馬弗爐內(nèi)于100℃下保溫30 min，然后將馬弗爐溫度以5℃/min的升溫速度升至550℃，保溫2h后隨爐自然冷卻至室溫，即可在不銹鋼表面制備一層TiO2薄膜。用肉眼觀察該薄膜表面平整，呈現(xiàn)出由黃到藍(lán)等不同顏色。

1.3 TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)與性能檢測(cè)

1.3.1 金相顯微鏡觀察

通過(guò)金相顯微鏡觀察不同條件下制得的TiO2薄膜試樣的表面形貌特征。

1.3.2 X-射線衍射測(cè)試

將不同條件下制得的TiO2薄膜試樣，通過(guò)X-射線衍射儀進(jìn)行分析測(cè)試。

1.4 涂膜不銹鋼耐蝕性能研究

1)3.5 %NaCl溶液中的極化曲線測(cè)試

工作電極為不銹鋼試樣及涂覆TiO2薄膜的不銹鋼試樣，工作電極面積均為10mm×10mm。參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為3.5%NaCl溶液，實(shí)驗(yàn)溫度為30℃。

2)10%硫酸介質(zhì)中的浸泡試驗(yàn)

將不銹鋼試樣及涂覆TiO2薄膜的不銹鋼試樣同時(shí)放在10%硫酸介質(zhì)中浸泡7天，然后觀察樣品表面狀況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相顯微鏡檢測(cè)結(jié)果

兩種試樣的金相顯微照片如圖1所示:

圖1 金相顯微照片

由圖1中可以看到，未涂覆TiO2薄膜的不銹鋼試樣表面的基本紋路比較模糊。而涂覆TiO2薄膜的不銹鋼基底的基本紋路卻清晰可見(jiàn)，并且在日光下呈現(xiàn)黃色或淡藍(lán)色，這是由于薄膜厚度增加、吸收和散射光增強(qiáng)引起的。當(dāng)涂覆次數(shù)較少時(shí)，從薄膜上能觀察到少許明顯的孔洞，但無(wú)裂紋。隨著涂覆次數(shù)增多，薄膜逐漸變得均勻平整，色澤也逐漸變得光亮。涂覆次數(shù)為7次的薄膜透明、完整、連續(xù)，并且表面呈現(xiàn)藍(lán)色光澤。

2.2 X-射線衍射譜圖

不銹鋼表面分別涂覆3、5及7次TiO2薄膜試樣的XRD譜圖如圖2所示，其中，曲線1為不銹鋼試樣;曲線2、3、4分別為涂覆次數(shù)為3、5及7次TiO2薄膜的試樣。由圖可以看出，涂覆TiO2薄膜后不會(huì)掩蓋不銹鋼基體的特征衍射峰;涂覆TiO2薄膜后，在XRD譜圖中出現(xiàn)銳鈦礦型TiO2的特征衍射峰，隨著涂覆次數(shù)由3次增加至7次，TiO2衍射峰從非常微弱變得越來(lái)越明顯且尖銳。

圖2 試樣的XRD譜圖

2.3 耐蝕性能測(cè)試

2.3.1 極化曲線測(cè)試及分析

不銹鋼試樣及涂覆TiO2薄膜的不銹鋼試樣在3.5%氯化鈉溶液中的極化曲線如圖3所示。在圖3中，不銹鋼試樣的極化曲線出現(xiàn)了平臺(tái)，原因是在電位正掃過(guò)程中，不銹鋼發(fā)生了陽(yáng)極溶解反應(yīng)，隨著電位正移，不銹鋼基體一直未進(jìn)入鈍化區(qū)，陽(yáng)極溶解電流迅速加大，超過(guò)測(cè)試儀器的檢測(cè)限，因而在圖譜中就表現(xiàn)為一平臺(tái)。

圖3 在3%NaCl溶液中的陽(yáng)極極化曲線

不銹鋼基體涂覆TiO2薄膜后，隨著電位正移，陽(yáng)極電流密度增大，試樣電極出現(xiàn)了鈍化區(qū)，表明TiO2薄膜的存在促進(jìn)了不銹鋼的鈍化，對(duì)不銹鋼起到了保護(hù)作用，試樣電極的致鈍電流密度顯著減小。從圖3中可以看出，涂覆3、5和7次TiO2薄膜的不銹鋼試樣的致鈍電流密度依次為:0.022、0.018、及0.013A/cm2，致鈍電流密度的減小說(shuō)明試樣的耐蝕性隨著在不銹鋼表面涂覆TiO2薄膜的次數(shù)增多而增強(qiáng)。

2.3.2 在10%硫酸介質(zhì)中的浸泡試驗(yàn)

把不銹鋼試樣和涂覆有TiO2薄膜的不銹鋼試樣放入10%硫酸介質(zhì)中浸泡7天后，通過(guò)肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)不銹鋼試樣表面凹凸不平且顏色發(fā)黑;而涂覆TiO2薄膜次數(shù)為3、5次的不銹鋼試樣表面比較均勻平整，但呈現(xiàn)的顏色比較暗;涂覆次數(shù)為7次的不銹鋼試樣不僅表面比較均勻平整，而且呈現(xiàn)藍(lán)色，這也表明在不銹鋼表面涂覆的TiO2薄膜對(duì)不銹鋼基體具有良好的保護(hù)作用。

3 結(jié)論

1)不銹鋼表面TiO2薄膜的厚度不同導(dǎo)致膜呈現(xiàn)出的顏色也不同，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨著涂覆次數(shù)的增加，膜的顏色出現(xiàn)有規(guī)律的變化，逐漸由黃色變至為藍(lán)色。

2)不銹鋼表面TiO2薄膜的XRD圖譜表明，TiO2薄膜晶形為銳鈦礦型，其衍射峰的強(qiáng)弱與薄膜的厚度有關(guān)。

3)不銹鋼表面TiO2薄膜的耐蝕性能測(cè)試表明，與不銹鋼基體相比，涂覆有TiO2薄膜的不銹鋼試樣在3%NaCl溶液中和10%硫酸介質(zhì)中的耐蝕性能有明顯提高，而且，隨著涂覆次數(shù)的增加，試樣的耐蝕性能也相應(yīng)提高。

［1］Sauer M L，Ollis D F.Acetone oxidation in a photocatalytic monolith reactor［J］.Mater Sci，2001，36:5923-5926.

［2］周幸福，諸道葆，林昌健.不銹鋼表面納米TiO2膜的制備及其耐蝕性能［J］.材料保護(hù)，2002，35(7):4-5.

［3］崔婷，唐紹裘，萬(wàn)隆，等.納米二氧化鈦薄膜的制備及性能研究［J］.硅酸鹽通報(bào).2006(2):121-124.

Corrosion Resistance of Stainless Steel Coated by Titanium Dioxide Film

LI Min-jiao，LI Zhi-yuan，ZHANG Shu-lin，XIONG Miao
(School of Chemistry and Pharmaceutical Engineering，Sichuan University of Science＆Engineeing，Zigong 643000，China)

A titanium dioxide film was prepared on stainless steel by sol-gel technique with butyltitanate as only one reactant.The surface morphology of TiO2film was observed by metallurgical microscope，and its crystal structure was characterized by X-ray diffraction method.The polarization curves of stainless steel were determined by using electrochemical workstation.The results showed that the corrosion resistance of stainless steel can be enhanced by surface plating of TiO2film.

titanium dioxide film;sol-gel;stainless steel;corrosion resistance

TG174

:A

1001-3849(2010)09-0008-03

2010-03-09

:2010-06-01