CN100558472C - 铝及铝合金超疏水表面的制作方法 - Google Patents
铝及铝合金超疏水表面的制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种铝或者铝合金超疏水表面制备方法。该方法是，用金相砂纸或抛光膏打磨铝或铝合金表面，经纯水洗、丙酮超声清洗、再次纯水淋洗等清洁处理后，于90～100℃下，用含硝酸以及金属盐(铜盐或镍盐)的化学腐蚀液处理30s～20min，然后在其表面涂覆低表面能的物质，以获得超疏水性质。采用本发明方法处理后的铝或铝合金表面具有优良的疏水性，水与表面的接触角可高达150-165°，水滴很容易在表面滚动。本发明的方法无需复杂昂贵的设备，成本低廉，工艺简单，重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及金属基材表面处理方法，具体是一种铝及铝合金超疏水表面的制作方法。
背景技术
铝及铝合金在在交通、能源、食品、电子、家电、航空等领域都有广泛的应用。在某些领域，对铝及合金表面的润湿性能有严格要求。例如，空调换热器用铝箔，要求水与其表面的接触角尽可能的低或尽可能高，这样可以减少水桥在铝片间形成，提高换热效率。具有很高接触角以及极低滚动角的超疏水表面，不仅可以解决铝箔表面的水桥问题，还有可能解决空调结霜/化霜问题、系统的传热与换热问题、延长压缩机的使用寿命以及进一步降低制冷系统的能耗，具有很好的应用前景。然而，现有工业生产采用的表面涂层处理技术，可以在铝箔表面形成亲水性能优良的亲水膜(接触角小于10度)，但形成的疏水膜的疏水性能不够好(水与换热器表面的接触角偏小，通常在80度左右)。因此，需要发展新的铝及铝合金表面处理技术。
目前，对于铝及铝合金表面的超疏水化处理的方法还不多，文献和专利报道了以下几种：(1)采用喷砂(CN1814862A)的方法来改变金属表面形貌，然后在其表面涂覆低表面能物质来获得疏水或超疏水表面。采用这种方法处理的铝合金，其与水的接触角可以高达152°。这种方法简单高效，适用范围广。然而，采用这种方法处理的金属表面，虽然接触角很高，但水在表面粘滞，难以滚动。(2)结合喷砂粗糙化和纳米二氧化硅颗粒的植入技术，可以获得接触角173°而滚动角仅为2.5°超疏铝表面(栗常红、肖怡等，无机化学学报，22，785-788，2006)。(3)利用酸腐蚀方法使金属表面粗糙化。例如采用HCl和HF的混合溶液处理纯铝片，仅5～15s就可以获得合适粗糙度，经含氟的硅氧烷溶液处理，使金属表面覆盖一层低表面能物质后，即可得到超疏水表面(B-T.Qian，Langmuir，21，9007-9009，2005.)。此方法非常简单，然而，采用盐酸处理，比较容易使金属表面生锈。(4)结合机械粗糙化与NaOH水溶液2～4小时的腐蚀方法处理铝合金，然后在其表面涂覆低表面能物质，也可以获得超疏水表面(Z-G.Guo，J.Am.Chem.Soc.，127，15670-15671，2005.)。此方法的不足之处在于NaOH水溶液处理时间较长。长时间处理，会使得铝合金的机械性能受损，而且不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝或铝合金超疏水表面的制作方法，得到铝或铝合金表面与水的接触角在150-165°，水珠从高处落到表面上可以弹起并自由滚动。
本发明的铝或铝合金超疏水表面的制作方法，包括如下步骤：
(1)机械粗糙化，采用金相砂纸或抛光膏粗糙化铝或铝合金表面；
(2)清洁处理，将机械粗糙化后的铝或铝合金放入水中超声清洗，以除去磨下的砂粒和铝粉；然后在丙酮中超声清洗，以除去表面油污；之后用纯水淋洗干净；
(3)化学腐蚀，将清洁处理后的铝或铝合金浸入化学腐蚀液中处理30秒～20分钟，处理温度为90～100℃；
(4)疏水化处理，将化学腐蚀后的铝或铝合金经大量水淋洗，乙醇淋洗后，放入疏水处理液中浸置12～24小时，取出，用乙醇淋洗后干燥；
所述的化学腐蚀液可以是本领域通用的，本发明优选的化学腐蚀液由2～20wt％的硝酸与0.5～5.0g/L的铜盐或1.0～4.0g/L的镍盐的水溶液组成，所述的铜盐为硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、或醋酸铜；所述的镍盐为硝酸镍、氯化镍或硫酸镍。
所述疏水处理液可以是本领域通用的，本发明优选的疏水处理液由1～10mmol/L的长链硅烷和3～30mmol/L水的乙醇溶液组成，所述长链硅烷包括全氟四氢十二烷基三乙氧基硅烷、全氟四氢葵烷基三氯硅烷、全氟四氢辛烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷或葵基三乙氧基硅烷。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明所需的设备简单、成本低、制备工艺简单、效率高。本发明方法所制备得到的铝或铝合金表面具有超疏水性能，水与表面接触角高达150～170°，而且水珠在表面很容易滚动。
具体实施方式
实施例1
将铝合金箔用金相砂纸打磨，然后在水和丙酮中分别超声清洗10分钟，并用纯水冲洗干净。将处理后的铝合金箔放入含10wt％硝酸和1.0g/L三水合硝酸铜的化学腐蚀液中处理。处理温度为90℃，处理时间为6分钟。将铝片取出后用纯水反复冲洗，乙醇冲洗，然后放入葵基三乙氧基硅烷浓度为1.0mmol/L，水浓度为3.0mmol/L的乙醇溶液中处理24小时。之后取出，用少量乙醇淋洗，在150℃烘烤10分钟。处理后的铝箔表面发白，呈现均匀、平滑、柔和的亚光效果。扫描电镜照片显示，铝箔表面有大量的类似弹坑状的凹坑，尺寸在2-15μm之间，进一步放大，可以看到凹坑中有大量孔洞，尺寸约50-300nm；此外，还有少量尺寸约为0.5-1μm大小的球形铜颗粒随机分布于表面。水滴在此铝箔表面很容易滚动，水滴与铝箔表面的接触角为154°。
实施例2
将纯度为99.9％的铝片用金相砂纸打磨，然后用水和丙酮分别超声清洗10分钟，并用纯水冲洗干净。将处理后的铝箔放入含15wt％硝酸和3.0g/L三水合硝酸铜的化学腐蚀液中处理。处理温度为95℃，处理时间为1分钟。将铝片取出后用纯水反复冲洗，乙醇冲洗，然后放入全氟四氢十二烷基三乙氧基硅烷浓度为2.0mmol/L、水浓度为6.0mmol/L的乙醇溶液中处理24小时。之后取出，用少量乙醇淋洗，在150℃烘烤10分钟。处理后的铝箔表面发白，呈现均匀、平滑、柔和的亚光效果。当水滴从高处落于铝箔表面上时，可以弹起并自由在表面滚动。水滴与铝箔表面的接触角为165°。
实施例3
将铝合金片用金相砂纸打磨，然后用水和丙酮分别超声清洗10分钟，并用纯水冲洗干净。将处理后的铝箔放入含2wt％硝酸和1.0g/L三水合硝酸铜的化学腐蚀液中处理。处理温度为95-100℃，处理时间为15分钟。将铝片取出后用纯水反复冲洗，乙醇冲洗，然后放入全氟四氢辛烷基三乙氧基硅烷浓度为1.0mmol/L，水浓度为3.0mmol/L的乙醇溶液中处理12小时。之后取出，用少量乙醇淋洗，在150℃烘烤10分钟。处理后的铝箔表面发白，呈现均匀、平滑、柔和的亚光效果。水滴很容易在铝箔表面滚动，所处理得到的铝箔与水接触角为151°。
实施例4
将铝合金片用砂纸打磨，然后用水和丙酮分别超声清洗10分钟，并用纯水冲洗干净。将处理后的铝箔放入含10wt％硝酸和2.0g/L六水合硝酸镍的化学腐蚀液中处理。处理温度为95℃，处理时间为10分钟。将铝片取出后用纯水反复冲洗，乙醇冲洗，然后放入全氟四氢十二烷基三乙氧基硅烷浓度为1.0mmol/L，水浓度为3.0mmol/L的乙醇溶液中处理24小时。之后取出，用少量乙醇淋洗，在150℃烘烤10分钟。处理后的铝箔表面发白，呈现均匀、平滑、柔和的亚光效果。水滴在铝箔表面呈近球形，接触角为150°。
实施例5
将铝合金箔用抛光膏打磨，然后用水和丙酮分别超声清洗10分钟，并用纯水冲洗干净。将处理后的铝箔放入含20wt％硝酸和1.0g/L三水合硝酸铜的化学腐蚀液中处理。处理温度为90℃，处理时间为3分钟。将铝片取出后用纯水反复冲洗，乙醇冲洗，然后放入十二烷基三乙氧基硅烷浓度为1.0mmol/L，水浓度为3.0mmol/L的乙醇溶液中处理12小时。之后取出，用少量乙醇淋洗，在150℃烘烤10分钟。处理后的铝箔表面发白，呈现均匀、平滑、柔和的亚光效果。当水滴从高处落于铝箔表面上时，可以弹起并自由在表面滚动。水滴与铝箔表面的接触角为160°。
Claims (1)
1、一种铝或铝合金超疏水表面的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)机械粗糙化，采用金相砂纸或抛光膏粗糙化铝或铝合金表面；
(2)清洁处理，将机械粗糙化后的铝或铝合金放入水中超声清洗，以除去磨下的砂粒和铝粉；然后在丙酮中超声清洗，以除去表面油污；之后用纯水淋洗干净；
(3)化学腐蚀，将清洁处理后的铝或铝合金浸入化学腐蚀液中处理30秒～20分钟，处理温度为90～100℃；
(4)疏水化处理，将化学腐蚀后的铝或铝合金经大量水淋洗，乙醇淋洗后，放入疏水处理液中浸置12～24小时，取出，用乙醇淋洗后干燥；
所述的化学腐蚀液由2～20wt％的硝酸与0.5～5.0g/L的铜盐或1.0～4.0g/L的镍盐的水溶液组成，所述的铜盐为硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、或醋酸铜；所述的镍盐为硝酸镍、氯化镍或硫酸镍；
所述疏水处理液由1～10mmol/L的长链硅烷和3～30mmol/L水的乙醇溶液组成，所述长链硅烷为全氟四氢十二烷基三乙氧基硅烷、全氟四氢癸烷基三氯硅烷、全氟四氢辛烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷或癸基三乙氧基硅烷。
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