一種鈦合金表面石墨烯薄膜的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種鈦合金表面石墨烯薄膜的制備方法，具體步驟包括：將醫用鈦合金進行放入piranha溶液中進行羥基化處理，然后放入氨基硅烷溶液中自組裝硅烷薄膜；將氧化石墨烯粉末超聲處理為穩定的氧化石墨烯膠體；將表面附有硅烷薄膜的鈦合金浸入氧化石墨烯膠體中制備硅烷-氧化石墨烯薄膜；最后利用氫鹵酸還原氧化石墨烯薄膜，干燥后得到還原氧化石墨烯復合薄膜。本發明專利技術工藝方法簡單，對實驗操作人員無危害，制得的薄膜完整性好，強度高，摩擦系數低，耐磨性優異，有望成為醫用關節材料。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了，具體步驟包括：將醫用鈦合金進行放入piranha溶液中進行羥基化處理，然后放入氨基硅烷溶液中自組裝硅烷薄膜；將氧化石墨烯粉末超聲處理為穩定的氧化石墨烯膠體；將表面附有硅烷薄膜的鈦合金浸入氧化石墨烯膠體中制備硅烷-氧化石墨烯薄膜；最后利用氫鹵酸還原氧化石墨烯薄膜，干燥后得到還原氧化石墨烯復合薄膜。本專利技術工藝方法簡單，對實驗操作人員無危害，制得的薄膜完整性好，強度高，摩擦系數低，耐磨性優異，有望成為醫用關節材料。【專利說明】
本專利技術屬于鈦合金材料性能改進
，涉及一種在鈦合金表面制備薄膜以提高鈦合金表面摩擦學性能的方法。
技術介紹
鈦合金因具有良好的綜合機械性能和抗蝕性能，被廣泛應用于航空和航天、石油化工等領域。由于鈦合金具有良好的生物相容性、較高的比強度和優良的抗疲勞性能，再加上其較低的彈性模量與骨相近，能夠有效地將載荷轉移到周圍的健康骨，可以將鈦合金用于關節骨材料。但由于鈦的化學親和性比較大，易在摩擦表面產生粘附，導致摩擦系數增大。鈦合金表面形成的氧化鈦耐磨性差，在摩擦過程中容易剝落，加劇關節的磨粒磨損。同時大量的金屬離子聚集在關節周圍，容易引發異常的生物化學反應，導致關節松動失效。因此，必須對鈦合金表面進行改性，以提高其摩擦性能。石墨烯是碳原子通過Sp2軌道雜化形成的六角形蜂窩晶格的單層薄膜。它是迄今為止世界上最薄也是最堅硬的納米材料，具有巨大的比表面積(2600m2/g)和比強度(抗拉強度125GPa)，其強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，是已知材料中強度和硬度最高的晶體結構。而且石墨烯質量輕，耐磨性和耐腐蝕好，導熱性能優異。通過在鈦合 金表面沉積石墨烯薄膜可以極大地減小摩擦系數，提高耐磨性，改善其生物摩擦性能。但是石墨烯本身比較穩定，如果直接在鈦合金表面沉積薄膜，這樣基體與薄膜之間的結合力不夠強，形成的薄膜在摩擦過程中容易脫落。因此，本領域的技術人員致力于開發一種通過硅烷與含活性官能團的氧化石墨烯反應，在鈦合金表面制備硅烷-氧化石墨烯復合薄膜的方法，以提高鈦合金的摩擦學性能。
技術實現思路
本專利技術的目的克服上述鈦合金摩擦性能方面的缺陷而提供一種鈦合金表面制備石墨烯薄膜的方法，通過該方法在鈦合金表面制備的薄膜擁有較低的摩擦系數，可以極大地提高鈦合金的摩擦學性能。為實現上述目的，本專利技術提供了，本專利技術的技術方案分為三個階段，首先在室溫下對拋光處理過的鈦合金片表面進行羥基化預處理，然后通過自組裝方法在鈦合金表面制備氧化石墨烯薄膜，最后將氧化石墨烯薄膜進行還原處理。具體方案包括如下步驟:a.將表面拋光處理后的鈦合金放入異丙醇溶液中超聲，再用超純水沖洗，然后緩慢放入piranha溶液中靜置，取出后將處理后的鈦合金放入新的piranha溶液中進行二次靜置，使鈦合金表面羥基化；本專利技術所用超純水是指電阻率大于18ΜΩ時)的水。b.將羥基化后的鈦合金用去離子水清洗后，置入氨基硅烷溶液中；c.將氧化石墨烯粉末放入適量蒸餾水中，超聲波分散，得到穩定的氧化石墨烯膠體；d.將經所述步驟b處理后的鈦合金浸入所述步驟c得到的氧化石墨烯膠體中，在密閉容器中持續保持恒溫；e.將經所述步驟d處理后的鈦合金浸入氫鹵酸和磷酸的混合溶液中，在密閉容器中加熱；f.將經所述步驟e處理得到的產品用去離子水反復沖洗，直至沖洗后的溶液pH為中性，然后將沖洗后的產品干燥。優選地，上述步驟a中:鈦合金包含選自Ti6Al4VJi6Al7Nb和Ti12Mo5Ta中的一種；異丙醇的濃度為按質量百分比計70% ；piranha溶液為按質量百分比計濃度為98%的濃硫酸和按質量百分比計濃度為30%的雙氧水按體積比7:3混合的溶液；鈦合金在異丙醇溶液中超聲的時間為30~60min ;用超純水沖洗次數為3~5次；在piranha溶液中首次靜置時間為10~30min ;二次靜置時間為5~IOmin0優選地，上述步驟b中，氨基硅烷溶液是以按5:1體積比混合的甲苯和水為溶劑，以Y -(2，3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷為溶質，溶質的濃度為0.5~2mmol/L ;用去離子水清洗的次數為3~5次；羥基化后的鈦合金在氨基硅烷溶液溶液中的置放時間為2~12h。優選地，上述步驟c中的超聲波分散時間為30min~2h ;得到的所述氧化石墨烯膠體的濃度為0.1~2mg/ml。 優選地，上述步驟d中，密閉容器的恒定溫度范圍為40~80°C、恒溫持續時間為10 ~24h。優選地，上述步驟e中，氫鹵酸是按質量百分比計濃度為30%~57%的HI溶液或按質量百分比計濃度為30 %~47 %的HBr溶液，混合溶液是指所述氫鹵酸和按質量百分比計濃度為30%的磷酸按9:1體積比混合的溶液；鈦合金在密閉容器中的加熱的時間為20min~10h，加熱溫度控制在40~100°C。優選地，上述步驟f中的所述干燥的指在40°C真空中放置24h。本專利技術還提供了用上述方法制備的含還原氧化石墨烯薄膜鈦合金材料。相比于現有技術，本專利技術的有益效果體現在:本專利技術先采用含有活性官能團的氧化石墨烯，利用硅烷偶聯劑制備氧化石墨烯自組裝薄膜，再經過鹵化氫還原方法得到具有高強度和摩擦學性能優異的還原氧化石墨烯薄膜，制備的薄膜擁有較低的摩擦系數。本專利技術具有工藝簡單、成本低、效率高、對環境無污染等特點。相比采用H2N4.Η20和NaBH4等還原方法，本專利技術采用的方法反應溫和,整個過程不會對操作人員產生危害；制備的石墨烯薄膜缺陷少，不會分解成小碎片，可以保持很好的完整性；而且還原反應不會對薄膜和基體之間的結合產生大的影響，具有很好的界面結合力，能明顯改善鈦合金摩擦磨損性能。最終獲得的薄膜其強度、彈性、生物摩擦學性能和耐磨性更好，有望成為醫用關節材料，因而具有很大的應用價值。以下將結合附圖對本專利技術的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本專利技術的目的、特征和效果。【專利附圖】【附圖說明】圖1是本專利技術示意圖；圖2是本專利技術實施例1獲得的鈦合金還原氧化石墨烯復合薄膜的SEM圖。【具體實施方式】實施例1，包括以下步驟:a.將拋光處理的鈦合金Ti6Al4V放入70%異丙醇溶液中超聲30min，這里的Ti6Al4V也可用Ti6Al7Nb或Ti12Mo5Ta替代；再用超純水沖洗5次，然后緩慢放入piranha溶液中IOmin,取出后再次將處理后的鈦合金放入新的piranha溶液中5min,使鈦合金表面輕基化。b.將羥基化的鈦合金用去離子水清洗5次后，放入丙基三甲氧基硅烷含量為2mmol/L的氨基硅烷溶液中自組裝硅烷薄膜，時間為2h。c.將氧化石墨烯粉末放入蒸餾水中，超聲波分散30min，得到濃度為0.lmg/mL穩定的氧化石墨烯膠體。d.將表面附有硅烷的鈦合金浸入氧化石墨烯膠體，在密閉容器中保持恒溫80°C持續10h，通過硅烷和氧 化石墨烯的反應，在鈦合金表面就制備了硅烷-氧化石墨烯復合薄膜。e.將附有氧化石墨烯薄膜的鈦合金浸入55% HI和30%磷酸的混合溶液(v/v =9:1)，在密閉容器中加熱201^11，溫度控制在100°C。通過親核取代反應將鈦合金表面的氧化石墨烯進行還原。f.還原后的產品用去離子水反復沖洗直至沖洗后的溶液pH為中性，然后將沖洗后的產品在40°C真空中放本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鈦合金表面石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：a.將表面拋光處理后的鈦合金放入異丙醇溶液中超聲，再用超純水沖洗，然后緩慢放入piranha溶液中靜置，將靜置處理后的鈦合金取出再放入新的piranha溶液中進行二次靜置，使鈦合金表面羥基化；b.將羥基化后的鈦合金用去離子水清洗后，置入氨基硅烷溶液中；c.將氧化石墨烯粉末放入蒸餾水中，超聲波分散，得到氧化石墨烯膠體；d.將經所述步驟b處理后的鈦合金浸入所述步驟c得到的氧化石墨烯膠體中，在密閉容器中持續保持恒溫；e.將經所述步驟d處理后的鈦合金浸入氫鹵酸和磷酸的混合溶液中，在密閉容器中加熱；f.將經所述步驟e處理得到的產品用去離子水反復沖洗，直至沖洗后的溶液pH為中性，然后將沖洗后的產品干燥。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：程先華，劉祖漢，李鵬飛，王傳英，孫志勇，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海;31