CN101982560B - 一种低成本的铝合金超疏水表面处理方法 - Google Patents

Abstract

一种低成本的铝合金超疏水表面处理方法：(1)采用质量体积浓度为70g/L~95g/L的盐酸水溶液对铝合金表面进行化学刻蚀处理，水浴刻蚀温度为30℃~50℃，刻蚀时间为3min~6min，(2)采用长链脂肪酸溶液，通过蒸镀法，对铝合金表面进行蒸镀修饰，所述长链脂肪酸至少包括月桂酸和硬脂酸中的一种，所述的长链脂肪酸溶液是将脂肪酸溶于乙醇溶剂中，脂肪酸的质量与溶剂的质量百分比为3wt.%-15wt.%，所述的蒸镀法为：将长链脂肪酸溶液和经上述化学刻蚀处理的铝合金置于密封容器中；将密封容器放入箱式电炉中加热至100℃-200℃，保温1-3小时；取出铝合金并将其再置于箱式电炉中，在50℃-90℃下固化处理0.5-1.5小时，最后取出空冷，即可获得水滴不易黏附，具有良好的超疏水特性的铝合金表面。

Description

一种低成本的铝合金超疏水表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种低成本的铝合金超疏水表面处理方法。 

背景技术

铝合金以其质量轻、比强度高、热效率高、价格适中、易加工等优良性能在众多领域得到广泛的应用。超疏水表面在世界范围内已引起了极大的关注，并且逐渐成为仿生纳米材料技术中的热点之一。这种表面在国防、工农业生产和日常生活等许多领域都有着极其重要的应用前景。例如，将其应用在高降雪地区的室外天线上，可以防止积雪，以保证信号畅通；用于管道中，可以防止液体对管道壁黏附；用于水中运输工具，可以减少水的阻力，提高行驶速度；用于微流体装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送，等等。具有超疏水表面的铝合金可具备优良的疏水性能并提高耐蚀性能。目前，超疏水铝合金的工业生产主要采用表面涂层处理技术，但所制备的铝合金疏水性能及膜基结合效果不理想；而研究阶段的各种铝合金超疏水表面制备技术，由于其特殊的制备工艺或高昂的制备成本等，不适于工业化生产。因此，仍需要发展低成本且制备工艺简便的铝合金超疏水表面制备技术。

依据荷叶效应以及对粗糙表面的润湿性研究结果，制造超疏水表面主要有两种手段：一、低表面能材料上的微观结构构建；二、构建合适的微观表面并在制得的微观表面上修饰低表面能物质。第二种方法不再局限于低表面能材料，而是可以延伸到很多材料的超疏水表面制备上。由于绝大多数金属都具有高能的表面，所以在金属表面上构造超疏水，就必须从构造微观结构和修饰低表面能物质两方面入手。

目前，对于铝合金超疏水表面的制备方法已有很多，如喷砂处理法、刻蚀法、电化学沉积法、自组装法、模板法等等。然而，这些方法都存在一定的成本、效率、和工业化应用等问题。如：已报道的刻蚀法存在有些刻蚀剂溶液对环境危害较大，且低表面能修饰剂成本高昂；电化学沉积法效率低不易推广，尤其不容易制作大面积产品，同时量产也难；模板法受到模板的限制，合适的且能重复利用的模板制备成了这一技术的瓶颈，等等。此外，在一些有望实现工业化生产的简便方法中仍存在制备成本高昂的问题。如：肖怡等在《改进金属材料表面疏水性的方法》（专利CN200610038572.4）中提到的喷砂处理方法，喷砂处理构建微观结构的方法简便易行，但采用的低表面能修饰剂硅氧烷却成本高昂，且修饰工艺较复杂。郗金明等在《用于金属防腐和自清洁功效的超疏水表面的制备方法》（专利号CN200710177876.3）中所述的电化学法，采用脂肪酸的乙醇溶液作为电解质溶液，通过电化学作用使得阴极上的金属表面沉积一层具有防腐和自清洁功效的脂肪酸盐，从而得到具有超疏水特性的金属表面。此方法采用了价格低廉的脂肪酸，降低了制备成本，但电化学工艺复杂难控制且效率低，不适宜大规模的工业化生产。在已公开的诸多其他的铝合金超疏水表面制备方法中，也均存在各种各样的问题，即或微观结构构造方法复杂，或低表面能修饰剂采用价格高昂的氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯等，阻碍了大规模产业化生产中的推广应用。因此寻求一种真正意义上的简便易行，成本低廉，且能获得性能优良的超疏水表面的方法，仍是目前研究的重点。

现今普遍使用的低表面能修饰剂有硫醇、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂、氟硅烷等等，虽能得到良好的修饰效果，但仍存在一定问题。例如，硫醇的毒性较高，对人体有害且成本不低；硅烷偶联剂总类繁多，对修饰表面具有选择性，其水解及修饰工艺难以把握；聚四氟乙烯与氟硅烷均具有良好的修饰效果，且性能稳定，但成本高昂，难以在工业化生产中进行推广。而长链脂肪酸与这些修饰剂相比，具有巨大的价格优势，且高级脂肪酸仅由C、H、O三种元素组成，对环境无污染，其表面修饰效果也非常理想，对修饰表面的选择性小修饰工艺简便。 

发明内容

本发明提供了一种低成本的铝合金超疏水表面处理方法，由本发明处理的铝合金超疏水表面具有耐久性好的优点。

本发明采用如下技术方案：

一种低成本铝合金的超疏水表面处理方法，所述处理方法包括下列步骤：

(1) 采用质量体积浓度为70g/L~95g/L的盐酸水溶液对铝合金表面进行化学刻蚀处理，水浴刻蚀温度为30℃~50℃，刻蚀时间为3min ~6min， 

(2) 采用长链脂肪酸溶液，通过蒸镀法，对铝合金表面进行蒸镀修饰，所述长链脂肪酸至少包括月桂酸和硬脂酸中的一种，所述的长链脂肪酸溶液是将脂肪酸溶于乙醇溶剂中，脂肪酸的质量与溶剂的质量百分比为3wt.%-15wt.%，所述的蒸镀法为：

将长链脂肪酸溶液和经上述化学刻蚀处理的铝合金置于密封容器中；

将密封容器放入箱式电炉中加热至100℃-200℃，保温1-3小时； 

取出铝合金并将其再置于箱式电炉中，在50℃-90℃下固化处理0.5-1.5小时，最后取出空冷。

本发明提供的技术方法具有如下优点：

本发明采用低污染易处理的盐酸，刻蚀处理铝合金表面，采用成本低廉的长链脂肪酸替代硅氧烷、氟硅烷等高成本的低表面能修饰剂进行表面修饰，获得了理想的超疏水铝合金表面。此方法设备简易，操作方便，制备工艺简便易行，且大幅降低制备成本，易于工业化应用。

1.      经过刻蚀-脂肪酸修饰处理的铝合金材料具有良好的超疏水性能，接触角可高达160°，且黏附很小。

2.      采用长链脂肪酸（月桂酸和硬脂酸的价格每500克均在15-25元之间）替代普遍使用的硅氧烷、氟硅烷（价格每5克1000元左右）等，大幅度降低了制备成本，且修饰工艺简单，修饰效果显著。

3.      通过蒸镀法修饰，修饰剂与基体结合牢固，铝合金超疏水表面耐久性好。

4.      制备工艺和所需设备简单，易于操作、效率高，综合成本低廉，易于工业化应用。同时，脂肪酸仅由C、H、O三种元素组成，对环境无污染。

附图说明：

图1为刻蚀-硬脂酸修饰处理后铝合金表面微观结构的扫描电镜图及水滴在这种表面的状态图。

图2 为刻蚀-硬脂酸修饰后水滴在铝合金表面的黏附性图。

图3为刻蚀-月桂酸修饰处理后水滴在铝合金表面的状态图。

图4 为刻蚀-月桂酸修饰后水滴在铝合金表面的黏附性图。

图5为刻蚀-月桂酸和硬脂酸修饰处理后水滴在铝合金表面的状态图。

图6为刻蚀-月桂酸和硬脂酸修饰后水滴在铝合金表面的黏附性图。

图7为刻蚀-月桂酸和硬脂酸修饰处理后水滴在铝合金表面的状态图。

图8为刻蚀-月桂酸和硬脂酸修饰后水滴在铝合金表面的黏附性图。

具体实施方式

实施例1

利用浓度为80g/L的盐酸水溶液对A356铝合金表面进行化学刻蚀处理，刻蚀温度为40℃（水浴），刻蚀时间为5min，以在其表面构筑粗糙结构。对盐酸刻蚀后的铝合金用去离子水清洗，去除残余盐酸，然后取出烘干；

配制硬脂酸溶液：将硬脂酸溶于乙醇溶剂中，硬脂酸的质量与乙醇的质量百分比为8wt.%。

将硬脂酸溶液加入试管中，再将试管和处理好的样品置于密封容器，将密封容器放入箱式电炉中，加热到150℃，保温2小时，再将铝合金取出，置于箱式电炉中加热到80℃，保温0.5小时，后取出空冷。

试样在经过刻蚀-硬脂酸修饰处理后，表面结构如图1所示，左下角插图为放大形貌。经检测，样品与水的接触角为160°(处理前为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图1右上角插图所示。黏附性情况如图2所示。

实施例2

利用浓度为92g/L的盐酸水溶液对A356铝合金表面进行化学刻蚀处理，刻蚀温度为40℃（水浴），刻蚀时间为3min，以在其表面构筑粗糙结构。对盐酸刻蚀后的铝合金用去离子水清洗，去除残余盐酸，然后取出烘干；

配制月桂酸溶液：将月桂酸溶于乙醇溶剂中，月桂酸的质量与乙醇的质量百分比为4wt.%。

将月桂酸溶液加入试管中，再将试管和处理好的样品置于密封容器，将密封容器放入箱式电炉中，加热到150℃，保温2小时，再将铝合金取出，置于箱式电炉中加热到80℃，保温0.5小时，后取出空冷。

试样在经过刻蚀-月桂酸修饰处理后，经检测，样品与水的接触角为161°(处理前为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图3所示。黏附性情况如图4所示。

实施例3

利用浓度为87g/L的盐酸水溶液对A356铝合金表面进行化学刻蚀处理，刻蚀温度为40℃（水浴），刻蚀时间为4min，以在其表面构筑粗糙结构。对盐酸刻蚀后的铝合金用去离子水清洗，去除残余盐酸，然后取出烘干；

配制月桂酸与硬脂酸的混合溶液：将月桂酸和硬脂酸溶于乙醇溶剂中，月桂酸和硬脂酸与乙醇的质量百分比分别为1wt.%和5wt.%。

将月桂酸与硬脂酸的混合溶液加入试管中，再将试管和处理好的样品置于密封容器，将密封容器放入箱式电炉中，加热到150℃，保温2小时，再将铝合金取出，置于箱式电炉中加热到80℃，保温0.5小时，后取出空冷。

试样在经过刻蚀-月桂酸和硬脂酸修饰处理后，经检测，样品与水的接触角为160°(处理前为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图5所示。黏附性情况如图6所示。

实施例4

利用浓度为90g/L的盐酸水溶液对A356铝合金表面进行化学刻蚀处理，刻蚀温度为40℃（水浴），刻蚀时间为3min，以在其表面构筑粗糙结构。对盐酸刻蚀后的铝合金用去离子水清洗，去除残余盐酸，然后取出烘干；

配制月桂酸与硬脂酸的混合溶液：将月桂酸和硬脂酸溶于乙醇溶剂中，月桂酸和硬脂酸与乙醇的质量百分比分别为2wt.%和9wt.%。

将月桂酸与硬脂酸的混合溶液加入小试管中，再将小试管和处理好的样品置于密封容器，将密封容器放入箱式电炉中，加热到150℃，保温2小时，再将铝合金取出，置于箱式电炉中加热到80℃，保温0.5小时，后取出空冷。

试样在经过刻蚀-月桂酸和硬脂酸修饰处理后，经检测，样品与水的接触角为161°(处理前为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图6所示。黏附性情况如图7所示。

实施例5

一种低成本铝合金的超疏水表面处理方法，所述处理方法包括下列步骤：

(1) 采用质量体积浓度为70g/L、80g/L或95g/L的盐酸水溶液对铝合金表面进行化学刻蚀处理，水浴刻蚀温度为30℃或50℃，刻蚀时间为3min 或6min， 

(2) 采用长链脂肪酸溶液，通过蒸镀法，对铝合金表面进行蒸镀修饰，所述长链脂肪酸至少包括月桂酸和硬脂酸中的一种，所述的长链脂肪酸溶液是将脂肪酸溶于乙醇溶剂中，脂肪酸的质量与溶剂的质量百分比为3wt.%或15wt.%，所述的蒸镀法为：

将长链脂肪酸溶液和经上述化学刻蚀处理的铝合金置于密封容器中；

将密封容器放入箱式电炉中加热至100℃或200℃，保温1或3小时； 

取出铝合金并将其再置于箱式电炉中，在50℃或90℃下固化处理0.5或1.5小时，最后取出空冷。

Claims (1)

1. 一种低成本的铝合金超疏水表面处理方法，其特征在于所述处理方法包括下列步骤：

(1) 采用质量体积浓度为70g/L~95g/L的盐酸水溶液对铝合金表面进行化学刻蚀处理，水浴刻蚀温度为30℃~50℃，刻蚀时间为3min ~6min， 

(2) 采用长链脂肪酸溶液，通过蒸镀法，对铝合金表面进行蒸镀修饰，所述长链脂肪酸为月桂酸和硬脂酸中的一种，所述的长链脂肪酸溶液是将脂肪酸溶于乙醇溶剂中，脂肪酸的质量与溶剂的质量百分比为3wt.%-15wt.%，所述的蒸镀法为：

将长链脂肪酸溶液和经上述化学刻蚀处理的铝合金置于密封容器中；

将密封容器放入箱式电炉中加热至100℃-200℃，保温1-3小时； 

取出铝合金并将其再置于箱式电炉中，在50℃-90℃下固化处理0.5-1.5小时，最后取出空冷。

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