CN102102168A - 一种利用热喷涂技术制备憎水涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用热喷涂技术制备憎水涂层的方法，该涂层兼有防冰的作用。采用纳米团聚包覆技术在微米级金属或合金粉末表面包覆纳米级陶瓷粉末，形成复合粉末，以所述复合粉末为原料，采用热喷涂技术制备涂层，在涂层表面形成微纳米复合的“乳突”结构，从而提高涂层的憎水效果。该方法工艺简单，涂层制备效率高，可广泛应用于航空、印刷、汽车、电力等行业，起到憎水、防冰作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种热喷涂涂层制备技术，特别是一种利用热喷涂技术制备憎水涂层的方法。
背景技术
在高空、低温、云层的环境下，飞行器外表面（如机翼、机尾）、发动机进气口前端等其它部位上会产生水分积聚冻结成冰的现象。机尾/翼结冰，会损坏其流线外形，致使飞机丧失抬升力；进气口结冰，可能丧失发动机之发动能力，以上危害均可发生重大事故。
防止结冰的一个有效方法是在容易结冰的表面制备憎水涂层，该涂层能防止水滴铺展，而使之聚集成大的水滴，随外力的作用脱离基体表面。这就避免了水滴在物体表面富集，从而降低了结冰的可能性，达到防冰的效果。
憎水涂层的制作可以有两种途径，一种是直接使用低表面能材料，所使用的材料主要是氟碳化合物，硅树脂以及其它的一些低表面能有机化合物。近年来已报道用于制备憎水表面的低表面能材料有氟硅烷(FAS)、氟化聚合物，有机聚合物系列，含氟化学物及石蜡等等。由于氟硅烷及其他含氟材料具备某些优良性能，例如：极低的表面能，优秀的耐热性、耐候性、耐化学腐蚀性等，因而一直受到人们的关注。但单纯使用地表面能材料获得的憎水效果有限，因此还需要同时进行另外的方法以改善涂层的憎水效果。
另一种方法就是通过对具有高表面能基底材料如金属，金属氧化物，无机材料等表面进行粗糙化，然后修饰低表面能的物质如氟硅烷，这种方式丰富了憎水表面的制作方法，拓宽了憎水应用范围。不管哪种途径，构筑表面粗糙结构是制作憎水最为关键的一步。表面粗糙化的结构中最具有代表性的是荷叶表面的“乳突”结构。人们通过对荷叶、水稻叶等植物叶表面及其他生物体表面微结构的深入研究表明荷叶憎水效果明显不仅仅是因为表面有一层蜡质物质，更重要的是荷叶表面形成了的“乳突”结构。这种“乳突”结构是一种多重纳米和微米级的复合结构。纳米颗粒分布在微米级颗粒的表面，形成微纳米复合结构。经分析，荷叶表面上乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突上有许多直径为100～200纳米左右的凸起组成的。接触角的大小是衡量固体表面浸润性最为常用的标准。对于光滑平整的理想固体表面，水滴在其表面上的形状是由固体、液体和气体三相接触线的界面张力来决定的，水滴的接触角θ的大小受固/液，固/气及液/气的表面张力决定，即Young’s 方程：cosθ= (γ sg - γ sl ) /γ lg ，其中γ sg 、γ sl 、γ lg分别为固气、固液、气液间的界面张力。而对于粗糙表面而对于粗糙的固体表面，则必须考虑粗糙度对疏水性能的影响。Wenzel 于1936 年提出Wenzel 方程：cosθ r ＝r cosθ，式中r 为粗糙度，表示实际的固－液界面接触面积与表观固－液界面接触面积之比，θ r 是Wenzel 状态下粗糙表面的接触角。从Wenzel 方程可以看出，粗糙的固体表面使实际上的固－液的接触面大于表观集合上观察到的面积。当θ小于90°时，θr 随着表面粗糙度的增加而降低，即增加表面的亲液性；而θ大于90°时，θr 随着表面粗糙度的增加而增大，表面就更加的疏液（赵宁，卢晓英，张晓艳，等。超疏水表面的研究进展，化学进展，2007，19（6），860-871）。乳突结构可以明显的提高表面的粗糙度。因此含有“乳突”结构的粗糙表面施加一层有机憎水物质后比光滑表面施加同样的有机憎水物质具有更好的表面憎水效果。
目前用于憎水表面制作的粗糙化技术主要可以归为以下几类：a、刻蚀法，通过自上面下的加工过程赋予材料表面粗糙结构。目前用于憎水表面制作的刻蚀技术主要包括化学腐蚀，激光刻蚀，等离子刻蚀以及平板印刷术等；b、沉积法，主要通过物理气相沉积、水热生长、电化学、层层电解质组装沉积等在基底材料的表面形成一层具有微纳结构的物质，如纳米纤维、纳米线、纳米棒、纳米粒子等；c、纳米颗粒法，是以既有的纳米颗粒为原料，通过物理或者化学键的相互作用，将纳米粒子固定在基底材料表面，以构筑材料表面的结构；另外还有模板法、溶胶凝胶法、相分离法、静电纺丝法等方法。
这些方法都具有各自的优点，但一般成本较高，对基体表面要求较高，进行大面积表面处理时存在一定困难。而热喷涂方法是一种快捷、成本相对较低、适合大面积表面处理的一种方法。热喷涂是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。
但采用热喷涂技术直接形成具有微纳米复合结构的表面存在一定的技术难度。直接喷涂微米级粉末，涂层主要是微米结构，无法形成微纳米乳突结构。直接喷涂纳米粉末，涂层中会有部分纳米颗粒融化形成的微米级结构，部分纳米结构保留，但很难保证微纳结构恰好“乳突”结构。
为了解决这个问题，本发明拟采用纳米团聚包覆技术在微米级金属粉末表面包覆一层高熔点的纳米级陶瓷粉末，以这种复合粉末为原料，采用热喷涂技术制备涂层。在热喷涂过程中控制喷涂功率，使微米级粉末部分熔化、纳米级粉末保持原来形貌，从而在涂层表面形成微纳米复合的“乳突”结构，提高涂层的憎水效果。
发明内容
本发明提供了一种利用热喷涂技术制备憎水涂层的方法，其采用纳米团聚包覆技术在微米级金属或合金粉末表面包覆纳米级陶瓷粉末，形成复合粉末，以所述复合粉末为原料，采用热喷涂技术制备涂层，在涂层表面形成微纳米复合的乳突结构，再在表面涂敷一层有机憎水涂料后获得憎水涂层。
优选的是，所述纳米团聚包覆技术采用纳米胶粘团聚的方法在微米级金属或合金粉末表面包覆纳米级陶瓷粉末，其中胶粘剂为加入稀释剂的醇酸清漆，所述胶粘剂占复合粉末质量的20～40%，在真空环境80℃下进行1～2小时烘干处理，固化并去除掉稀释剂；所述热喷涂技术采用超音速火焰喷涂、等离子喷涂或火焰喷涂。
优选的是，所述金属粉末为镍粉末，所述合金粉末为镍铬合金粉末。所述金属或合金粉末的粒度为5～12微米，优选8～10微米。
优选的是，所述陶瓷粉末选自氧化铝粉末或氧化钛粉末。所述陶瓷粉末的粒度为50～200nm，优选100～160nm。所述陶瓷粉末重量占金属或合金粉末的重量的0.1～0.5%。
优选的是，所述有机憎水涂料为聚四氟乙烯或有机硅涂料等，膜层厚度≥0.01mm。
该方法工艺简单，涂层制备效率高，可广泛应用于航空、印刷、汽车、电力等行业，起到憎水、防冰的作用。
具体实施方式
实施例1
选取粒度在8～10μm之间的镍粉500g 粒度在150～200 nm之间的氧化铝粉0.5g 为原材料，混合均匀，加入40g醇酸清漆和30g稀释剂，在胶粘团聚机中混合均匀。真空环境下80℃下进行1～2小时烘干处理，固化并去除掉稀释剂，将粉末进行喷涂，采用等离子喷涂，控制喷涂功率为16kw，送粉量20g/min，获得含有乳突结构的表面，涂敷一层厚度为0.01mm的聚四氟乙烯后获得憎水涂层。
实施例2
选取粒度在8～10μm之间的镍粉500g 粒度在100～150 nm之间的氧化铝粉2.5g 为原材料，混合均匀，加入50g醇酸清漆和50g稀释剂，在胶粘团聚机中混合均匀。真空环境下80℃下进行1～2小时烘干处理，固化并去除掉稀释剂，将粉末进行喷涂，采用超音速火焰喷涂，其中氧气流量、煤油送粉量30g/min，获得含有乳突结构的表面，涂敷一层厚度为0.015mm的有机硅涂料后获得憎水涂层。
所制备的涂层成本低，能有效的防止水滴铺展，而使之聚集成大的水滴，随外力的作用脱离基体表面。避免了水滴在物体表面富集，从而降低了结冰的可能性，达到防冰的效果。
Claims (11)
1.一种利用热喷涂技术制备憎水涂层的方法，包括粉末形成和涂层制备，其特征在于：采用纳米团聚包覆技术在微米级金属或合金粉末表面包覆纳米级陶瓷粉末，形成复合粉末，以所述复合粉末为原料，采用热喷涂技术制备涂层，在涂层表面形成微纳米复合的乳突结构，再在表面涂敷一层有机憎水涂料后获得憎水涂层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纳米团聚包覆技术采用纳米胶粘团聚的方法在微米级金属或合金粉末表面包覆纳米级陶瓷粉末，其中胶粘剂为加入稀释剂的醇酸清漆，所述胶粘剂占复合粉末质量的20～40%，在真空环境80℃下进行1～2小时烘干处理，固化并去除掉稀释剂；所述热喷涂技术采用超音速火焰喷涂、等离子喷涂或火焰喷涂，所述有机憎水涂料为聚四氟乙烯或有机硅涂料。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述金属粉末为镍粉末。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述合金粉末为镍铬合金粉末。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述金属或合金粉末的粒度为5～12微米。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述金属或合金粉末的粒度为8～10微米。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述陶瓷粉末选自氧化铝粉末或氧化钛粉末。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述有机憎水涂料制备的膜层厚度≥0.01mm。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述陶瓷粉末的粒度为50～200nm。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述陶瓷粉末的粒度为100～160nm。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于：所述陶瓷粉末重量占金属或合金粉末的重量的0.1～0.5%。
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