一种镀碳用电解质溶液及其制备与使用方法
阅读说明：本技术 一种镀碳用电解质溶液及其制备与使用方法 (Electrolyte solution for carbon plating and preparation and use methods thereof ) 是由 叶瑛 张楚青 夏天 王秋瑾 张平萍 陶春辉 于 2021-03-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镀碳用电解质溶液及其制备与使用方法。镀碳用电解质溶液由碳源化合物、导电增效剂和溶剂组成。配制时先将碳源化合物溶解在溶剂中,再加入导电增效剂,搅拌至完全溶解,即得到镀碳用电解质溶液。使用时先将待镀的金属部件浸入镀碳用电解质溶液,金属部件连接外电路负极,正极为碳电极,在1.3至5V直流电压下通电3至10分钟,即可在金属部件表面形成均匀、牢固的碳膜。镀碳层可用作金属结构件的防腐防锈层,也可作为活动部件表面的自润滑层。镀碳金属丝可以替代玻碳电极、石墨电极作为碳电极使用,也可以作为电极胚体制作离子选择性电极,有利于实现电极的固体化和微型化。(The invention discloses an electrolyte solution for carbon plating and a preparation and use method thereof. The electrolyte solution for carbon plating consists of a carbon source compound, a conductive synergist and a solvent. During preparation, a carbon source compound is dissolved in a solvent, then the conductive synergist is added, and the mixture is stirred until the carbon source compound is completely dissolved, so that the electrolyte solution for carbon plating is obtained. When in use, a metal part to be plated is immersed into the electrolyte solution for carbon plating, the metal part is connected with the negative electrode of an external circuit, the positive electrode is a carbon electrode, and the metal part is electrified for 3 to 10 minutes under the direct current voltage of 1.3 to 5V, so that a uniform and firm carbon film can be formed on the surface of the metal part. The carbon-plated layer can be used as an anti-corrosion and anti-rust layer of a metal structural member and also can be used as a self-lubricating layer on the surface of a movable part. The carbon-plated metal wire can be used as a carbon electrode instead of a glassy carbon electrode and a graphite electrode, and can also be used as an electrode blank for manufacturing an ion selective electrode, thereby being beneficial to realizing the solidification and the miniaturization of the electrode.)
技术领域
本发明属于金属表面处理领域，具体涉及一种在金属表面电镀碳膜的电解质溶液及其制备与使用方法。
背景技术
金属材料用作结构件时，其使用寿命受制于抗腐蚀、抗锈蚀能力。使用防腐、防锈涂料作为金属结构件的表面保护层，存在施工复杂，且涂层易剥落等弱点，使得金属结构件需定期清除表面，并涂覆新的防腐防锈涂层，需耗费大量人力物力；此外，当金属被用作转动部件时，其表面需经常性补充添加润滑油，以便降低其表面摩擦力。当金属导线被用作离子选择性电极的导体时，由于离子敏感膜与金属之间存在界面传导屏障，在金属导线和离子敏感膜之间通常需要内置电解质溶液作为盐桥，使来自敏感膜的感应信号能到达金属导线并传递到检测电路。本发明的目的，是针对金属材料在防腐、防锈、表面自润滑、界面传导屏障等方面的问题，提供一种解决方案。
发明内容
本发明的目的是在金属表面形成均匀的碳质镀层，起到防腐、防锈、自润滑和传导介质的作用，为此提供一种镀碳用电解质溶液及其制备与使用方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种镀碳用电解质溶液，它是由碳源化合物、导电增效剂和溶剂组成，碳源化合物和导电增效剂的重量比为3:1至5:1，碳源化合物和导电增效剂的总重量占电解质溶液总重量的15％至30％。
作为优选，所述的碳源化合物是咪唑类阳离子与氯离子结合的化合物。
进一步的，所述咪唑类阳离子为1-乙基-3-甲基咪唑，1-丁基3-甲基咪唑，1-己基-3-甲基咪唑，1-十六烷基-3-甲基咪唑中的一种或数种。
作为优选，所述的导电增效剂是氯化铝、氯化镁中的一种。
作为优选，所述的溶剂是强极性、高介电常数、高沸点有机化合物，包括但不限于甲酰胺、二甲基甲酰胺和二乙基甲酰胺。
本发明还提供了一种如前述任一方案所述镀碳用电解质溶液的制备方法，其做法为：先将碳源化合物溶解在溶剂中，再加入导电增效剂，搅拌至完全溶解，得到镀碳用电解质溶液。
本发明还提供了一种如前述任一方案所述镀碳用电解质溶液的使用方法，其做法为：将金属部件浸没在所述的电解质溶液中并连接在直流电源的负极上，直流电源的正极连接同样浸没在所述的电解质溶液中的碳棒，对正负极加载1.3V至5V的电压，通电3至10分钟，得到碳膜包覆的金属部件。
作为优选，所述的金属部件材质是铁、钴、镍的一种，或者多种的合金。
本发明提供的镀碳用电解质溶液可用于在金属部件表面形成镀碳层，镀碳层可用作金属结构件的防腐防锈层，也可作为活动部件表面的自润滑层。具有镀碳层的镀碳金属丝可以替代玻碳电极、石墨电极作为碳电极使用，也可以作为电极胚体制作离子选择性电极，有利于实现电极的固体化和微型化。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。各种实现方式中的技术特征在没有相互冲突的情况下，均可进行组合，不构成对本发明的限制。
本发明提供的镀碳用电解质溶液，它是由碳源化合物、导电增效剂和溶剂组成，碳源化合物和导电增效剂的重量比为3:1至5:1，碳源化合物和导电增效剂占电解质溶液总重量的15％至30％。
本发明所采用的碳源化合物是咪唑类阳离子与氯离子结合的化合物。咪唑类阳离子的代表如：1-乙基-3-甲基咪唑，1-丁基3-甲基咪唑，1-己基-3-甲基咪唑，1-十六烷基-3-甲基咪唑中的一种或数种。
本发明咪唑类化合物属于离子型有机化合物，溶解后能离解成阴离子和阳离子，从而使电解质溶液具有导电性。碳源化合物还可使用咪唑类阳离子与其它阴离子结合的化合物，如硫氰酸咪唑。但氯化咪唑为市售商业产品，而硫氰酸咪唑不宜购得，使用效果无显著差别，因此推荐使用氯化咪唑。
本发明所采用的导电增效剂是氯化铝、氯化镁中的一种。若使用硫氰酸咪唑作为碳源化合物，导电增效剂可使用硫氰酸镁或硫氰酸钠。导电增效剂的作用是增加溶液的电导率。氯化铝、氯化镁还能和氯化咪唑形成低共熔混合物，降低体系的凝固点和粘度。导电增效剂还可使用硫氰酸铝、硫氰酸镁。但氯化铝、氯化镁为市售商业产品，而硫氰酸铝和硫氰酸镁不宜购得，使用效果无显著差别，因此推荐使用铝和镁的氯化物。
本发明所采用的溶剂是强极性、高介电常数、高沸点有机化合物，包括但不限于甲酰胺，二甲基甲酰胺，二乙基甲酰胺。
上述有机溶剂化学性质稳定，与电解质溶液中的其它组分不会发生化学反应，对电极无腐蚀性，在电镀过程中溶液自身不参与电化学反应。强极性溶剂对咪唑盐和增效剂具有较强的溶解能力和离解能力，形成的溶液具有高电导率。高沸点溶剂能提高使用过程的安全性。
本发明提供的镀碳用电解质溶液的制备方法是：先将碳源化合物溶解在溶剂中，再加入导电增效剂，搅拌至完全溶解，得到镀碳用电解质溶液。其中碳源化合物和导电增效剂的重量比为3:1至5:1，碳源化合物和导电增效剂占电解质溶液总重量的15％至30％。溶液配制完成后应密闭保存，防止受潮吸湿；在使用前需加热除湿。
本发明提供的镀碳用电解质溶液的一种使用方法是，将金属部件浸没在所述的电解质溶液中并连接在直流电源的负极上，直流电源的正极连接同样浸没在所述的电解质溶液中的碳棒，对正负极加载1.3V至5V的电压，通电3至10分钟，得到碳膜包覆的金属部件。
本发明所采用的金属部件材质是铁、钴、镍的一种，或者是它们的合金。
在上述镀碳过程中，咪唑阳离子在外加电场的作用下朝金属负极聚集，并在金属负极的表面被催化降解，形成单质碳，包覆在金属负极表面。
镀碳层可用作金属结构件的防腐防锈层，相对于防腐、防锈涂层技术而言，电镀碳层绿色环保，且碳质渗入金属表面，具有更强的附着力和耐久性。
经镀碳处理的金属部件具有自润滑性表面，适合于用作无油轴承等场合。由于电镀碳层渗入金属表面，润滑效果经久耐用。
金属部件可以是任意形状，当制备金属电极时可以采用金属丝。本发明制得的镀碳金属丝具有和玻碳电极、石墨电极相同的表面性质，如化学稳定性，导电性，同时兼有金属的柔韧性，在需要使用玻碳电极、石墨电极的场合，可以使用镀碳金属丝作为替代物。此外，镀碳层下部渗入金属丝，表面与许多离子选择性电极的敏感膜具有亲和性，因此用镀碳金属丝制作离子选择性电极不必用内置电解质溶液作为传导介质，有利于实现电极的固体化和微型化。
下面结合实施例对本发明的具体实现案例作详细说明。
实施例1
在烧杯中加入25克氯化1-乙基-3-甲基咪唑，70克甲酰胺，搅拌溶解后再加入5克三氯化铝，搅拌至完全溶解，得到镀碳用电解质溶液。
实施例2
在烧杯中加入10克1-十六烷基-3-甲基咪唑，85克二乙基甲酰胺，搅拌溶解后再加入5克三氯化铝，搅拌至完全溶解，得到镀碳用电解质溶液。
实施例3
在烧杯中加入15克1-丁基3-甲基咪唑，82克二甲基甲酰胺，搅拌溶解后再加入3克氯化镁，搅拌至完全溶解，得到镀碳用电解质溶液。
实施例4
在烧杯中加入20克1-己基-3-甲基咪唑，75克甲酰胺，搅拌溶解后再加入5克氯化镁，搅拌至完全溶解，得到镀碳用电解质溶液。
实施例5
将铁片浸没在实施例1配制的电解质溶液中，连接在直流电源的负极上，正极是碳棒，电压5V，通电3分钟，得到碳膜包覆的金属部件。
实施例6
将钴棒浸没在实施例2配制的电解质溶液中，连接在直流电源的负极上，正极是碳棒，电压1.3V，通电3至10分钟，得到碳膜包覆的金属部件。
实施例7
将镍丝浸没在实施例3配制的电解质溶液中，连接在直流电源的负极上，正极是碳棒，电压1.5V，通电5分钟，得到碳膜包覆的金属部件。
实施例8
将坡莫合金(铁镍合金)环浸没在实施例4配制的电解质溶液中，连接在直流电源的负极上，正极是碳棒，电压2V，通电6分钟，得到碳膜包覆的金属部件。
实施例9
将铁钴镍合金(超因瓦合金)球浸没在实施例1配制的电解质溶液中，连接在直流电源的负极上，正极是碳棒，电压3V，通电3分钟，得到碳膜包覆的金属部件。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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