不锈钢表面溶胶-凝胶/微胶囊复合膜层的制备

不锈钢表面溶胶-凝胶/微胶囊复合膜层的制备

摘要：介绍了用溶胶-凝胶/微胶囊的手段制备复合涂层的方法，具体讨论了将有机硅树脂以微胶囊的方式加入到氧化锆溶胶-凝胶中，并使微胶囊包封技术应用于表面复合膜层的制备 . 试验结果表明， 制得的氧化锆溶胶-凝胶/微胶囊复合涂层具有良好的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能 . 对其机理的分析认为，由于微胶囊在高温氧化过程中囊皮破裂，使得胶囊内的流体得以填平由于氧化锆膜层与基体膨胀系数不同而造成的裂纹 .

关键词：溶胶-凝胶法； 复合材料； 涂覆； 微胶囊

近年来，溶胶-凝胶方法作为无机材料高新制造技术， 如用溶胶-凝胶制备的涂层可以大大提高金属基板的抗氧化性及耐蚀性能， 因而受到了人们的广泛关注 .

微胶囊技术始于 60 年代，在化学和医药工业中有着飞速的发展， 在食品、日用化工、农药等领域的应用正变得越来越普遍而深入 . 一般可根据囊芯液体的种类， 把微胶囊包封技术分为以下 2类：1、以油质液体为囊芯的微胶囊；2、以水为囊芯的微胶囊 .

迄今为止，溶胶-凝胶涂层实用技术还仅限于玻璃基板， 在不锈钢、铝等金属基板上的研究较少，更没有达到实用的程度 . 其问题在于金属基板与涂层间膨胀系数不同而导致涂层脱离或产生裂纹. 本文就是采用膨胀系数较大的有机硅树脂与溶胶-凝胶相混合， 即利用微胶囊包封技术将有机硅树脂制备成微胶囊， 通过微胶囊中有机硅树脂材料的特性， 与氧化锆溶胶-凝胶涂层相复合，使其抗高温氧化性能和耐腐蚀性能提高 .

一、试验方法

试样材料为 1Cr18Ni9Ti 的不锈钢试片， 尺寸为 4 cm X 2. 5 cm. 配制浓度为 1 mol/L 的氧氯化锆（ZrOCI2）溶胶，加入稀氨水调 pH值约等于 0. 9， 在90 ~ 100。C水浴中加热 3 h，将溶液取出，静置一段时间后将不锈钢试样浸入溶胶中，垂直提拉，使其表面覆盖有一层溶胶并待涂层自然干燥后，将其

放入热处理炉中进行烧结固化 .制备微胶囊的工艺是以有机硅树脂为芯材，囊材为聚乙烯醇，促进剂为无水乙醇 . 在三口瓶中加入分散介质，并以一定的速度进行搅拌，然后徐徐加入囊芯物质， 待见囊芯物质完全分散于介质中时，迅速加入囊材物质，最后迅速加入促进剂搅拌，几分钟后取下三口瓶 .

制备完毕后，见乳白色浆状物，静置 10 h 以上，可见浆状物分层，肉眼可见闪亮透明的细小微粒（即微胶囊）分布于下层 .用滴管吸取少量微胶囊滴于玻片上， 在 SZTR OLYMPUS 光学显微镜下观察， 可见聚乙烯醇/有机硅体系的囊体多为规则球状.

将微胶囊与氧化锆溶胶充分搅拌，使其混合均匀，同时将不锈钢试片垂直浸入，然后缓慢提升取出，并在 220C下固化， 即制备好了含有机硅树脂的微胶囊复合涂层 .

涂层的抗高温氧化性试验是将这 3 种试样（裸不锈钢、表面涂有氧化锆溶胶-凝胶涂层和氧化锆溶胶-凝胶/有机硅微胶囊复合涂层）分别在700。C、800。C下测量涂层重量随氧化时间的变化，然后采用型号为 SZ-TR OLYMPUS 光学显微镜和日立 S-530 型扫描电镜及能谱仪进行涂层表面微观形貌观察和成分分析 . 考察涂层的耐蚀性是将涂有涂层的试样置于 5%（重量分数）Nacl 溶液中，在室温下浸渍，观察并记录涂层发生腐蚀变化的时间 .

在 800C下，裸不锈钢增重剧烈（见图 2b）， 涂有氧化锆溶胶-凝胶涂层的试样也有较大增重， 但是氧化锆溶胶-凝胶/有机硅液体微胶囊复合涂层的增重则微乎其微，而且还有少量的失重，这可能是因为在 800C的高温下有机硅的微量分解造成了少量的失重 .

需要说明的是，单独的有机硅树脂只能在小于 300C 的温度下使用， 超过 300C， 则会使有机硅树脂粉化，但作为微胶囊和氧化锆溶胶混合在一起，则可以耐 800C 的高温， 并且失重很少 . 说明了这种含有有机硅树脂的微胶囊复合涂层具有优良的抗氧化性能。

当氧化锆溶胶-凝胶/有机硅液体微胶囊复合涂层在经过 800C 下高温氧化 40 h 后， 观察其表面仍可见蜂窝状结构. 此时， 氧化锆已被烧结，但由于氧化锆周围高分子微胶囊囊皮的牵制以及有机硅对其膨胀系数的改善作用和氧化锆在有机硅中所起到的填料作用， 使得涂层表面没有像涂有氧化锆溶胶-凝胶涂层那样出现裂纹， 涂层仍然均匀覆盖在基体材料表面 . 这就为这种复合微胶囊涂层的高耐蚀性和抗氧化性能的提高创造了条件

! 结 论

根据以上试验，可以得到如下结论：

1） 利用微胶囊制备技术成功地制备出了含有机硅树脂的微胶囊/氧化锆溶胶-凝胶复合涂层 .

2） 在 700C、800C 的高温下， 含有机硅微胶囊的复合涂层具有优良的抗高温氧化性能， 明显优于单独的氧化锆溶胶-凝胶涂层 .

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