不锈钢表面涂覆TiO2薄膜的耐蚀性研究

李敏娇，李志源，张述林，熊 苗

(四川理工学院化学与制药工程学院，四川自贡 643000)

不锈钢表面涂覆TiO2薄膜的耐蚀性研究

李敏娇，李志源，张述林，熊 苗

(四川理工学院化学与制药工程学院，四川自贡 643000)

以钛酸丁酯为原料，采用溶胶-凝胶技术，在不添加其他溶剂的情况下在201型不锈钢基体上制备了TiO2薄膜，采用金相显微镜观察薄膜表面形貌，利用X-射线衍射仪对其晶型进行了表征，同时测量了薄膜试样的极化曲线，实验结果表明:在不锈钢表面涂覆TiO2薄膜能够增强不锈钢基体的耐蚀性。

二氧化钛薄膜;溶胶-凝胶;不锈钢;耐蚀性

引言

提高不锈钢在含有氯离子的介质中的耐蚀性能，一直是世界各国研究的一个热点。TiO2纳米晶薄膜由于具有特殊的物理化学性能，已经在半导体、太阳能转换、催化剂、高能电池及环保等领域得到广泛应用［1］。据文献报道，周幸福等人［2］采用电化学方法合成了前驱体钛酸乙酯［Ti(OEt)4］，再经过溶胶-凝胶过程在不锈钢表面制备了TiO2纳米晶膜，提高了不锈钢在硫酸介质中的耐蚀性能，所得TiO2纳米晶膜均匀完整，晶粒d为20nm，晶型结构主要为锐钛矿型。崔婷等［3］采用溶胶-凝胶法在清洁的玻璃表面上成功制备了均匀透明的纳米TiO2薄膜，并用X-射线衍射仪，扫描电镜，红外光谱仪和接触角测定仪等对薄膜的结构和性质进行了研究，研究结果表明:薄膜由20～45nm的TiO2球型颗粒组成，膜表面均匀，结构致密，具有平整的组织结构。

本文采用溶胶-凝胶法在201型不锈钢片上制备一层二氧化钛薄膜，通过金相显微镜观察膜的表面形貌;利用X-射线衍射仪对其晶型进行了表征，同时通过极化曲线方法研究了试样的耐腐蚀性能。

1 实验

1.1 实验仪器和药品

仪器:X-射线衍射仪(DX-2600，丹东方圆仪器有限公司，Cu Kα，35 kV，20mA)，金相显微镜(上海雷磁仪器厂)，CHI440A电化学工作站，HJ-8系列磁力搅拌器，电温恒热干燥箱，超声清洗仪，马弗炉。

药品:钛酸丁酯、无水乙醇、三乙醇胺及丙酮(均为分析纯)。

1.2 TiO2薄膜的制备

1.2.1 基体的预处理

将201型不锈钢片用纯净水刷洗干净后浸入无水乙醇中超声清洗1h，再浸入丙酮溶液中清洗，烘干后备用。

1.2.2 二氧化钛溶胶的配制

将钛酸丁酯溶液和三乙醇胺溶液相混合，得到溶液A，把溶液A加入到一定量的无水乙醇中得到溶液B，高速搅拌溶液B(1 450r/min)2h，然后逐滴加入水和无水乙醇的混合物，继续高速搅拌，最终得到浅黄色透明TiO2溶胶［3］。

1.2.3 TiO2薄膜的制备

将处理后的不锈钢片浸入到TiO2溶胶中，然后以2mm/s的提拉速度取出，在不锈钢表面上得到TiO2湿膜，把湿膜试样在80℃下干燥5 min后再在空气中冷却至室温，分别控制重复浸渍次数为3、5及7次进行提拉涂膜。不锈钢表面涂膜完成后，先在马弗炉内于100℃下保温30 min，然后将马弗炉温度以5℃/min的升温速度升至550℃，保温2h后随炉自然冷却至室温，即可在不锈钢表面制备一层TiO2薄膜。用肉眼观察该薄膜表面平整，呈现出由黄到蓝等不同颜色。

1.3 TiO2薄膜的结构与性能检测

1.3.1 金相显微镜观察

通过金相显微镜观察不同条件下制得的TiO2薄膜试样的表面形貌特征。

1.3.2 X-射线衍射测试

将不同条件下制得的TiO2薄膜试样，通过X-射线衍射仪进行分析测试。

1.4 涂膜不锈钢耐蚀性能研究

1)3.5 %NaCl溶液中的极化曲线测试

工作电极为不锈钢试样及涂覆TiO2薄膜的不锈钢试样，工作电极面积均为10mm×10mm。参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。实验介质为3.5%NaCl溶液，实验温度为30℃。

2)10%硫酸介质中的浸泡试验

将不锈钢试样及涂覆TiO2薄膜的不锈钢试样同时放在10%硫酸介质中浸泡7天，然后观察样品表面状况。

2 实验结果与讨论

2.1 金相显微镜检测结果

两种试样的金相显微照片如图1所示:

图1 金相显微照片

由图1中可以看到，未涂覆TiO2薄膜的不锈钢试样表面的基本纹路比较模糊。而涂覆TiO2薄膜的不锈钢基底的基本纹路却清晰可见，并且在日光下呈现黄色或淡蓝色，这是由于薄膜厚度增加、吸收和散射光增强引起的。当涂覆次数较少时，从薄膜上能观察到少许明显的孔洞，但无裂纹。随着涂覆次数增多，薄膜逐渐变得均匀平整，色泽也逐渐变得光亮。涂覆次数为7次的薄膜透明、完整、连续，并且表面呈现蓝色光泽。

2.2 X-射线衍射谱图

不锈钢表面分别涂覆3、5及7次TiO2薄膜试样的XRD谱图如图2所示，其中，曲线1为不锈钢试样;曲线2、3、4分别为涂覆次数为3、5及7次TiO2薄膜的试样。由图可以看出，涂覆TiO2薄膜后不会掩盖不锈钢基体的特征衍射峰;涂覆TiO2薄膜后，在XRD谱图中出现锐钛矿型TiO2的特征衍射峰，随着涂覆次数由3次增加至7次，TiO2衍射峰从非常微弱变得越来越明显且尖锐。

图2 试样的XRD谱图

2.3 耐蚀性能测试

2.3.1 极化曲线测试及分析

不锈钢试样及涂覆TiO2薄膜的不锈钢试样在3.5%氯化钠溶液中的极化曲线如图3所示。在图3中，不锈钢试样的极化曲线出现了平台，原因是在电位正扫过程中，不锈钢发生了阳极溶解反应，随着电位正移，不锈钢基体一直未进入钝化区，阳极溶解电流迅速加大，超过测试仪器的检测限，因而在图谱中就表现为一平台。

图3 在3%NaCl溶液中的阳极极化曲线

不锈钢基体涂覆TiO2薄膜后，随着电位正移，阳极电流密度增大，试样电极出现了钝化区，表明TiO2薄膜的存在促进了不锈钢的钝化，对不锈钢起到了保护作用，试样电极的致钝电流密度显著减小。从图3中可以看出，涂覆3、5和7次TiO2薄膜的不锈钢试样的致钝电流密度依次为:0.022、0.018、及0.013A/cm2，致钝电流密度的减小说明试样的耐蚀性随着在不锈钢表面涂覆TiO2薄膜的次数增多而增强。

2.3.2 在10%硫酸介质中的浸泡试验

把不锈钢试样和涂覆有TiO2薄膜的不锈钢试样放入10%硫酸介质中浸泡7天后，通过肉眼观察，发现不锈钢试样表面凹凸不平且颜色发黑;而涂覆TiO2薄膜次数为3、5次的不锈钢试样表面比较均匀平整，但呈现的颜色比较暗;涂覆次数为7次的不锈钢试样不仅表面比较均匀平整，而且呈现蓝色，这也表明在不锈钢表面涂覆的TiO2薄膜对不锈钢基体具有良好的保护作用。

3 结论

1)不锈钢表面TiO2薄膜的厚度不同导致膜呈现出的颜色也不同，在实验过程中随着涂覆次数的增加，膜的颜色出现有规律的变化，逐渐由黄色变至为蓝色。

2)不锈钢表面TiO2薄膜的XRD图谱表明，TiO2薄膜晶形为锐钛矿型，其衍射峰的强弱与薄膜的厚度有关。

3)不锈钢表面TiO2薄膜的耐蚀性能测试表明，与不锈钢基体相比，涂覆有TiO2薄膜的不锈钢试样在3%NaCl溶液中和10%硫酸介质中的耐蚀性能有明显提高，而且，随着涂覆次数的增加，试样的耐蚀性能也相应提高。

［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，诸道葆，林昌健.不锈钢表面纳米TiO2膜的制备及其耐蚀性能［J］.材料保护，2002，35(7):4-5.

［3］崔婷，唐绍裘，万隆，等.纳米二氧化钛薄膜的制备及性能研究［J］.硅酸盐通报.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