在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鎂基材料表面改性技術(shù)，特別涉及一種在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的表面改性技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂作為地殼中含量最豐富的元素之一，由于其密度小、強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)、延展性和韌性較高等力學(xué)性能，在20世紀(jì)末以后成為極具吸引力的金屬材料。近年來(lái)，隨著對(duì)鎂金屬研究的深入，鎂及鎂合金被開(kāi)發(fā)和利用到航空航天、軍工、汽車、電子等行業(yè)中。另外，由于鎂力學(xué)性能優(yōu)異、彈性模量與人骨相近、可降解且生物相容性良好，因此成為最具潛力的生物可降解植入材料，尤其在骨植入材料、心血管支架材料方面具有較大應(yīng)用前景。
[0003]但是由于鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，鎂及鎂合金在骨植入材料、心血管支架材料的服役過(guò)程中極易被環(huán)境所腐蝕，使其過(guò)早失去其機(jī)械性能。因此，耐腐蝕性較差，腐蝕過(guò)快限制了鎂及鎂合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用，其腐蝕速率的控制問(wèn)題仍然是亟待解決的問(wèn)題。通過(guò)涂覆或裝載腐蝕抑制劑是控制鎂及鎂合金材料腐蝕速率、提高耐腐蝕性能的有效手段。將腐蝕抑制劑直接在鎂金屬表面螯合金屬離子形成的耐腐蝕膜層，能夠提高其耐腐蝕性。但是由于鎂金屬表面存在雜質(zhì)，且腐蝕抑制劑和鎂金屬的螯合力有限，導(dǎo)致耐腐蝕膜層存在缺陷，不能有效的控制腐蝕速率，使得其耐腐蝕性能有待提高。而將腐蝕抑制劑加入到有機(jī)高分子溶液中再涂覆在樣品表面上所形成的耐腐蝕涂層，耐腐蝕涂層與金屬基底結(jié)合良好，但是高分子涂層降解較快，腐蝕抑制劑也會(huì)過(guò)快釋放，也不能有效控制鎂金屬的腐蝕速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，采用該方法對(duì)鎂金屬表面改性后，能夠更有效地控制腐蝕性環(huán)境對(duì)鎂金屬的腐蝕速率，尤其是在長(zhǎng)期服役的情況下，能夠?qū)︽V金屬提供長(zhǎng)期、持續(xù)的保護(hù)作用，使其緩慢、均勻的腐蝕降解。
[0005]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其目的所采用的技術(shù)方案是，一種在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，其步驟是:
[0006]A、將鎂金屬經(jīng)水磨砂紙打磨后放入含有10-200g/L的Mg(N03)2、22g/L的圓03和300g/L乙醇的混合溶液中，超聲處理5-10分鐘，隨后取出鎂金屬并用酒精沖洗干凈；
[0007]B、將A步得到的鎂金屬浸沒(méi)在8-羥基喹啉的乙醇溶液中，并置于30_80°C的水浴環(huán)境下，放置0.5-2h，取出鎂金屬并用酒精沖洗干凈；所述的8-羥基喹啉的乙醇溶液中，8-羥基喹啉溶液的濃度為0.2-5g/L ;
[0008]C、配制l_5wt%的聚乳酸溶液，將聚乳酸溶液旋涂于B步所得的鎂金屬表面，旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為2000-3000rpm、時(shí)間為0.5-2分鐘；即在鎂金屬表面成功構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并裝載功能性分子。
[0009]本發(fā)明的機(jī)理是:
[0010]A步的超聲過(guò)程中，鎂金屬在硝酸混合溶液中受到一系列物理作用及化學(xué)作用的影響，其表面將會(huì)出現(xiàn)納米級(jí)別的孔穴狀結(jié)構(gòu)。首先，鎂金屬在10-200g/L Mg(N03)2、22g/LHN03、300g/L乙醇混合溶液中受到強(qiáng)酸的作用，材料表面將會(huì)被腐蝕、溶解；另外，超聲使得混合溶液中產(chǎn)生大量的微氣泡，并快速膨脹、爆破。微氣泡爆破所產(chǎn)生的濺射流在鎂金屬表面產(chǎn)生巨大的沖擊力，并帶來(lái)局部的極高溫度和瞬時(shí)高壓，為化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行提供了能量，更進(jìn)一步促進(jìn)材料表面孔穴狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。
[0011]8-羥基喹啉作為一種具有腐蝕抑制作用的有機(jī)小分子，可以通過(guò)螯合鎂離子并在材料表面形成致密的螯合產(chǎn)物層的方式緩解鎂及其合金的腐蝕，通過(guò)B步將其裝載、填塞入鎂金屬表面的納米孔穴狀結(jié)構(gòu)中，隨后以聚乳酸膜層對(duì)其進(jìn)行封裝、包覆，由此所形成的表面在腐蝕性環(huán)境中將會(huì)起到控制腐蝕速率、保護(hù)基底材料的作用。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]—、通過(guò)10-200g/L Mg(N03)2、22g/L HN03、300g/L乙醇混合溶液組成的腐蝕劑的腐蝕作用及超聲產(chǎn)生的快速膨脹、爆破作用，在鎂金屬表面所構(gòu)建的封裝包埋系統(tǒng)即納米孔穴狀結(jié)構(gòu)是在鎂基底上直接產(chǎn)生的、連續(xù)生長(zhǎng)于鎂基底表面的結(jié)構(gòu)，這種納米孔穴狀結(jié)構(gòu)為功能性分子的裝載提供了可能。此外，通過(guò)此方法構(gòu)建的納米孔穴狀結(jié)構(gòu)具有低密度、高比表面積等優(yōu)異性能，有效地提高了腐蝕抑制劑的裝載量，并具有良好的固定作用。
[0014]二、在30-80°C溫度下，將腐蝕抑制劑8-羥基喹啉裝載入納米孔穴狀結(jié)構(gòu)中，并以聚乳酸膜層加以覆蓋，使得腐蝕抑制劑在納米孔穴狀結(jié)構(gòu)的裝載和聚乳酸膜層包覆的雙重作用之下緩慢釋放并螯合金屬離子，從而能夠更有效地控制腐蝕性環(huán)境對(duì)鎂金屬的腐蝕速率，尤其是在長(zhǎng)期服役的情況下，能夠?qū)︽V金屬提供長(zhǎng)期、持續(xù)的保護(hù)作用，使其緩慢、均勻的腐蝕降解。
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是實(shí)施例1中的鎂片進(jìn)行打磨并清洗干凈后的掃描電鏡圖。
[0017]圖2是實(shí)施例1中A步的前期制得物的掃描電鏡圖。
[0018]圖3是實(shí)施例1的制得物(Mg@8-HQ@PLA)的掃描電鏡圖。
[0019]圖4是實(shí)施例1的制得物(Mg@8-HQ@PLA)與鎂(Mg)的奈奎斯特圖。
[0020]圖5是圖4中方框部分的放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
[0022]—種在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，其步驟是:
[0023]A、將純鎂經(jīng)水磨砂紙打磨后放入含有74g/L的Mg(N03)2、22g/L的圓03和300g/L乙醇的混合溶液中，超聲處理10分鐘，隨后取出鎂金屬并用酒精沖洗干凈；
[0024]B、將A步得到的純鎂浸沒(méi)在8-羥基喹啉的乙醇溶液中，并置于60°C的水浴環(huán)境下，放置0.5h,取出純鎂并用酒精沖洗干凈；其中，8-羥基喹啉的乙醇溶液中，8-羥基喹啉溶液的濃度為lg/L ；
[0025]C、配制lwt%的聚乳酸溶液，將聚乳酸溶液旋涂于B步所得的純鎂表面，旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為3000rpm、時(shí)間為1分鐘。
[0026]圖1是實(shí)施例1中在純鎂進(jìn)行打磨并清洗干凈后的掃描電鏡圖，圖2是實(shí)施例1中A步的制得物的掃描電鏡圖。圖3是實(shí)施例1的制得物(Mg@8-HQ@PLA，其中8-HQ為8-羥基喹啉，PLA為聚乳酸)的掃描電鏡圖。圖1、2表明，無(wú)納米孔穴狀結(jié)構(gòu)的純鎂表面經(jīng)過(guò)A步的腐蝕及超聲處理后出現(xiàn)了納米孔穴狀結(jié)構(gòu)；圖3表明，利用腐蝕抑制劑裝載并以聚乳酸膜覆蓋后，在納米孔穴狀結(jié)構(gòu)的鎂金屬基底上形成了較為平整且覆蓋均勻的表面形貌。
[0027]圖4是實(shí)施例1的制得物(Mg@8-HQ@PLA)與鎂(Mg)的奈奎斯特圖。圖5是圖4中方框部分的放大示意圖。由圖4、5表明，本例經(jīng)過(guò)表面改性后得到的樣品，其阻抗值與純鎂相比上升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，腐蝕速率得到有效控制，耐腐蝕性能顯著提高。
[0028]實(shí)施例2
[0029]—種在純鎂表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，其步驟是:
[0030]A、將純鎂經(jīng)水磨砂紙打磨后放入含有10g/L的Mg(N03)2、22g/L的順03和300g/L乙醇的混合溶液中，超聲處理5分鐘，隨后取出純鎂并用酒精沖洗干凈；
[0031]B、將A步得到的純鎂浸沒(méi)在8-羥基喹啉的乙醇溶液中，并置于30°C的水浴環(huán)境下，放置lh，取出純鎂并用酒精沖洗干凈；其中，8-羥基喹啉的乙醇溶液中，8-羥基喹啉溶液的濃度為0.2g/L ;
[0032]C、配制3wt%的聚乳酸溶液，將聚乳酸溶液旋涂于B步所得的純鎂表面，旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為2500rpm、時(shí)間為30秒。
[0033]實(shí)施例3
[0034]—種鎂合金表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，其步驟是:
[0035]A、將鎂合金經(jīng)水磨砂紙打磨后放入含有200g/L的Mg(N03)2、22g/L的圓03和300g/L乙醇的混合溶液中，超聲處理7分鐘，隨后取出鎂合金并用酒精沖洗干凈；
[0036]B、將A步得到的鎂合金浸沒(méi)在8-羥基喹啉的乙醇溶液中，并置于80°C的水浴環(huán)境下，放置2h，取出鎂合金并用酒精沖洗干凈；其中，8-羥基喹啉的乙醇溶液中，8-羥基喹啉溶液的濃度為5g/L ;
[0037]C、配制5wt%的聚乳酸溶液，將聚乳酸溶液旋涂于B步所得的鎂合金表面，旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為2000rpm、時(shí)間為2分鐘。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，其步驟是: A、將鎂金屬經(jīng)水磨砂紙打磨后放入含有10-200g/L的Mg(N03)2、22g/L的圓03和300g/L乙醇的混合溶液中，超聲處理5-10分鐘，隨后取出鎂金屬并用酒精沖洗干凈； B、將A步得到的鎂金屬浸沒(méi)在8-羥基喹啉的乙醇溶液中，并置于30-80°C的水浴環(huán)境下，放置0.5-2h，取出鎂金屬并用酒精沖洗干凈；所述的8-羥基喹啉的乙醇溶液中，8-羥基喹啉溶液的濃度為0.2-5g/L ; C、配制l_5wt%的聚乳酸溶液，將聚乳酸溶液旋涂于B步所得的鎂金屬表面，旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為2000-3000rpm、時(shí)間為0.5-2分鐘；即在鎂金屬表面成功構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并裝載功能性分子。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，其特征在于，所述的鎂金屬為純鎂或鎂合金。
【專利摘要】一種在鎂金屬表面構(gòu)建納米裝容結(jié)構(gòu)并包覆功能性分子的方法，主要步驟為：A、將鎂金屬經(jīng)水磨砂紙打磨后放入含有10-200g/L的Mg(NO3)2、22g/L的HNO3和300g/L乙醇的混合溶液中，超聲處理5-10分鐘；B、將A步得到的鎂金屬浸沒(méi)在8-羥基喹啉的乙醇溶液中，并置于30-80℃的水浴環(huán)境下，放置0.5-2h,取出鎂金屬并用酒精沖洗干凈；所述的8-羥基喹啉的乙醇溶液中，8-羥基喹啉溶液的濃度為0.2-5g/L；C、將濃度1-5wt％聚乳酸溶液旋涂于B步所得的鎂金屬表面，旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為2000-3000rpm、時(shí)間為0.5-2分鐘；即可。采用該方法對(duì)鎂金屬表面改性后，能夠更有效地控制腐蝕性環(huán)境對(duì)鎂金屬的腐蝕速率，尤其是在長(zhǎng)期服役的情況下，能夠?qū)︽V金屬提供長(zhǎng)期、持續(xù)的保護(hù)作用，使其緩慢、均勻的腐蝕降解。
【IPC分類】C23C22/02, C23F1/22, C23F11/14
【公開(kāi)號(hào)】CN105331977
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510627676
【發(fā)明人】萬(wàn)國(guó)江, 李薇, 陳英奇, 趙升, 張文泰, 黃楠
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年9月28日