化学氧化处理对不锈钢表面性质

1、化学氧化处理对不锈钢表面性质的影响,一、引言,不锈钢具有优良的抗腐蚀性能，耐磨性和易加工性，广泛应用于环境恶劣的石油化工行业； 不锈钢表面润湿性能是影响在其表面传质及分离过程的重要的现实意义； 近年来，研究得到广泛的关注，但提出的不锈钢表面处理方法复杂，工业化难度大； 化学氧化处理可以有效的提高不锈钢的耐蚀性能，但国内未见相关报道,二、实验,采用接触角分析仪，多功能电子能谱仪等测试手段研究化学氧化处理对不锈钢表面亲水性、表面自由能及表面化学结构的影响，并提出了三者之间的关系。 实验试剂： 强氧化剂、丙酮、无水乙醇、二碘钾、蒸馏水等。 实验步骤： （1） 将供货态1Cr18Ni9Ti剪切成25m

2、m50mm，打磨边角成圆角，用丙酮，无水乙醇擦洗，最后用蒸馏水冲洗干净； （2）将上述试样放入不锈钢化学氧化液中，并使之恒温在设定温度，记录时间，反应结束后去除试样，冲洗干净，干燥,三、分析方法,采用上海梭伦SL200B接触角分析仪，分别测定蒸馏水、二碘甲烷在试片表面的接触角（取5次测量的平均值） 膜层结构分析采用PHI5702多功能电子能谱仪，分析条件为：Al 源发射，功率250W，电压14KV，通能29.35eV， 溅射，溅射面积为1mm1mm,溅射速度为15nm/min,四、结果与讨论,1）化学氧化处理对不锈钢表面亲水性的影响,1）图1，在氧化温度不变时，接触角随氧化时间的延长而减小，当

3、氧化时间超过8min后，趋势明显缓和。 原因分析： A、随着氧化时间的延长，表面反应程度逐渐加大，使得表面引进了更多的含氧极性基团，如COOH、OH等，从而使不锈钢的表面亲水性增强，接触角随氧化时间的延长而减小。 B、反应时间超过8min后，一方面由于表面待氧化组分含量减小，反应速率下降；另一方面随着接触角的减小，接触角测量的相对误差增大。 两方面原因使得接触角减小的趋势下降,2）图2：氧化时间不变的情况下，接触角随着氧化温度的升高而减小。 原因分析： a. 氧化温度越高，反应速率越快，从而使得相同时间内不锈钢表面生成的含氧极性集团越多，因此其表面亲水性越好，接触角越小； b. 升高温度会加速

4、氧化液的挥发，宜采用较低温度，750C为佳,2) 化学氧化处理对不锈钢表面自由能的影响,杨氏方程 （1） 固体表面自由能； 液固界面自由能； 液体表面自由能； 为液体在固体表面的接触角。 固体表面自由能分为色散力分量和极性力分量，根据Owens and Wendt法，假定固体和液体之间同时存在色散力和极性力的相互作用 固液界面自由能为： （2,联立公式（1）（2,3,极性溶液蒸馏水与非极性溶液二碘甲烷,数据分析,表2：经过氧化处理后，其表面能 显著提高，其增加部分主要由极性分量 增加所贡献； 与处理前相比较，不锈钢表面自由能 的非极性分量 有明显下降。原因分析为经过氧化处理后，表面极性分子含量

5、大大增加，因此其表面自由能及其极性分量明显增大，从而使之表现出极强的亲水性，另一方面可能与处理后表面有机污染物的去除有关,3）化学氧化处理对不锈钢表面化学结构的影响,530.3eV,710.9eV,576.5eV,853eV,数据分析,处理前后不锈钢表面O1s的电子结合能均为530.3eV,说明O以O2-的金属氧化物和氢氧化物的形式存在； 处理前后Fe2p2/3的电子结合能均为710.9eV，表明Fe在处理前后Fe主要以Fe2O3的形式存在； 处理前后试样表面Cr2p3/2的结合能均为576.5eV,对应于Cr2O3和CrOOH中的Cr2p3/2结合能分别为576.6eV和576.7eV,说明其均以三价态存在于两种不同状态的不锈钢表面； 处理前后试样表面Ni均以单质的形式存在,溅射结果分析,处理前后试样表面的主要成分为O、Cr、Fe，与处理前相比，试样表面及一定厚度范围内O含量升高，表面含氧极性基团的数量大大增加,结论,1）化学氧化处理可以提高不锈钢1Cr18Ni9Ti表面的亲水性，其亲水性随氧化温度的升高和氧化时间的延长而增强，其最佳工艺条件为：氧化温度为750C，氧化时间