CN102345149B - 一种铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面的制备方法 - Google Patents
一种铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面的处理方法。该方法首先将铝箔经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入1mol/L的NaOH水溶液中处理30-60s，然后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用。将前处理后的铝箔浸入以磷酸和丙三醇混合水溶液为电解液的液体中，室温条件下，恒电流密度模式阳极氧化120-150min。结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干。将阳极氧化后的铝箔在70℃的液态硬脂酸中浸泡1h，然后在70℃的热乙醇中涮洗，最后在80℃烘箱中固化30min，即可制备出铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面。本发明制备工艺简单、无污染、基底损伤小、表观质量佳，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面的处理方法。
背景技术
铝箔具有质轻、易加工、导热性能好、价格便宜等优点，是空调换热器（包括蒸发器和冷凝器）的主要材料。对于没有表面处理的光箔，制冷时，当表面温度低于环境空气的露点时，铝箔结露现象随之发生，从而引起水桥、白粉、异味等问题。这不但降低了机器的换热性能和使用寿命，而且还增加了能耗，同时给室内环境也带来污染，危害人体健康。此外，空气制冷系统中的管道表面、冷辐射板表面、送风口表面、风道和水管表面等也都容易出现凝露。
铝箔表面亲水处理是解决结露问题的常用手段，冷凝水在这种表面呈铺展的膜状，接触角小于10°，可显著减少换热器的翅片间水桥的产生，提高换热效率。但是，亲水铝箔仍存在如下局限性：（1）亲水涂层一般为纯有机涂覆材料，厚度可达几个微米厚，降低了原有铝箔的导热性；（2）亲水箔表面水膜不易滑落，增加了涂层的热阻；（3）亲水箔表面能高，“湿”水膜的存在使得其易腐蚀，也易吸附污染物。
自20世纪90年代以来，固体表面超疏水性（与水滴接触角大于150°，滚动角小于10°）一直是国际研究的前沿和热点之一，因为表面微细结构和低自由能赋予这种表面自清洁和耐腐蚀等优良特性。但是，众多研究表明，微米级的冷凝水滴可破坏超疏水表面微米结构捕获空气形成“空气垫”，从而使其失去超疏水性。最近的一些试验研究发现，聚四氟乙烯涂覆的碳纳米管森林、超疏水氢氧化铜纳米结构表面可形成球状的微米级冷凝水滴，且易脱落。同时，研究显示，蚊子复眼由数百个密排六方的微米级半球状小眼构成，这些小眼表面还覆盖有无数非密排的柱状纳米凸起，这种特殊的构成使得蚊子眼具有防雾功能。此外，Nakae等[Nakae, H.; Inui, R.; Hirata, Y.; Saito, H. Acta Mater. 1998, 46, 2313]通过改进的Cassie非润湿模型，从理论上研究了二维密排微米球阵列的润湿性，认为阵列微米球的尺寸对接触角有很大影响。对于亚微米级结构，尺寸越小，该结构表面的接触角越大。由此可见，具有一定粗糙度的密排堆积纳米颗粒结构可获得超疏水表面，并且能使得微米级水滴仍然保持球状，从而显示抗结露特性。同时，这种表面还将具有超疏水表面的自清洁和耐腐蚀等特性。
经过多年的发展，目前已有多种铝及铝合金超疏水表面的制备方法，但由于铝箔很薄，在其表面构建超疏水性的方法并不多见，只有Xu等[Xu, Q. F.; Wang, J. N. New J. Chem. 2009, 33, 734]报道的溶胶-凝胶法、Liu等[Liu, L. J.; Zhao, J. S.; Zhang, Y.; Zhao, F.; Zhang, Y. B. J Colloid Interf. Sci., 2011, 358, 277.]提出的勃姆石薄膜法以及Wu等[Wu, W. C.; Wang, X. L.; Wang, D. A.; Chen, M.; Zhou, F.; Liu, W. M.; Xue, Q. J Chem. Commun. 2009, 1043]的生长纳米线法。对于在铝箔表面构建密排堆积的纳米球结构，则未见任何报道。
发明内容
本发明提供一种能够形成密排堆积的纳米球结构、对铝箔的损伤小且表面粗糙度小的铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面的处理方法。
本发明采用如下技术方案：
一种铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面的处理方法，包括如下处理步骤：
（1）前处理：将铝箔经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入1mol/L的NaOH水溶液中处理30-60s，然后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；所述铝箔厚度小于0.1mm，铝元素含量为99.5%；
（2）阳极氧化处理：以磷酸和丙三醇的混合水溶液为电解液，以镍片为阴极，以铝箔为阳极，两极平行正对放置，面积比为1:1，间距20mm，在室温及恒电流模式下进行阳极氧化，所述电流密度为3.2-4.8mA/cm2，氧化时间120-150min。阳极氧化结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将磷酸分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的浓度为127-255g/L，丙三醇的浓度为50-150g/L；
（3）化学改性：将水溶液处理后的铝箔在70℃的液态硬脂酸中浸泡1h，然后在70℃的热乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80℃下固化30 min，即可制备出具有仿生纳米结构超疏水抗结露功能的铝箔。
采用本发明的方法制备的具有仿生纳米结构超疏水抗结露铝箔表面，具有以下特点：
（1）混合水溶液对铝箔的损伤小。本发明采用的混合水溶液中磷酸的浓度较低，且加入的丙三醇可进一步降低溶液的腐蚀性，减慢对铝箔的刻蚀速度和刻蚀深度，防止了铝箔在处理过程中的局部穿透，且使得工艺过程容易控制，可对较薄铝箔进行处理。
（2）丙三醇的加入对形成密排堆积的纳米球结构至关重要。丙三醇具有一定粘度，加入电解液中后，在铝箔表面形成缓释层，可避免氧化过程中的浓度和pH值变化，影响氧化膜层的均匀性和附着力。同时，丙三醇缓释层还可降低铝箔表面电解液浓度，减少形成的膜层的溶解，从而获得密排堆积的纳米球结构，如图1所示的采用实例1的制备方法获得铝箔表面扫描电镜照片。
（3）处理后铝箔表面粗糙度小，表观质量佳。例如，采用实例1的方法处理后，铝箔表面的均方根粗糙度为81.5nm，纳米球直径为100±20nm，膜厚300nm，表面相应的原子力显微镜三维照片如图2所示，图3为显示膜厚的扫描电镜照片，处理前后铝箔表面数码照片如图4和图5所示，处理后的铝箔表面十分光洁，仍具有金属光泽。同时，由于粗糙度较小，表面的耐磨性得到提高。
（4）制备的铝箔超疏水表面静态水滴接触角大于150°，且对水滴的黏附性很弱，水滴易脱落。例如，采用实例1的方案处理的铝箔表面的接触角为165°±2°，且对水滴的黏附性很小，水滴易脱落，见图6和图7所示。
（5）同未经处理的铝箔相比，处理后的具有仿生纳米结构的超疏水铝箔表面可有效延缓冷凝水滴的形成，且形成的微米级凝露呈球状，易滚落，如图8所示。因此，制备的超疏水铝箔具有良好的抗结露特性。
本发明制备的具有仿生纳米结构的超疏水抗结露铝箔，可用于空调换热器翅片，且制备工艺简单、无污染、基底损伤小、表观质量佳，适合推广应用。
附图说明：
图1为实例1中铝箔仿生纳米结构超疏水表面的扫描电镜图；
图2为实例1中处理后的铝箔表面原子力显微镜三维图片；
图3为采用实例1工艺处理后的铝箔表面膜层的扫描电镜图；
图4为实例1中处理前铝箔的数码照片；
图5为实例1中处理后铝箔的数码照片；
图6为采用实例1工艺处理后的铝箔表面水滴形态；
图7为采用实例1工艺处理后的铝箔表面水滴黏附性测试；
图8为实例1制备的超疏水铝箔表面（左侧）和未经处理表面（右侧）的抗结露测试体式显微图片（室温27℃，相对湿度34%，表面温度-4℃，冷凝5min后）。
具体实施方式
实例1
（1）将0.04mm厚铝箔（30mm*30mm，铝元素含量为99.5%）依次用丙酮、去离子水超声清洗并吹干，随后浸入1mol/L的NaOH水溶液中处理，时间约30-60s，在本实例中，处理时间为40s，以去除铝箔表面氧化膜。
（2）以磷酸和丙三醇的混合水溶液为电解液，以镍片为阴极，以铝箔为阳极，两极平行正对放置，面积比为1:1，间距20mm，在室温及恒电流模式下进行阳极氧化，所述电流密度为3.2mA/cm2，氧化时间120min。阳极氧化结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将磷酸分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的浓度为255g/L，丙三醇的浓度为150g/L；
（3）将水溶液处理后的铝箔在70℃的液态硬脂酸中浸泡1h，然后在70℃的热乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80℃下固化30 min，即可制备出具有仿生纳米结构超疏水抗结露功能的铝箔。
通过上述方法制备的具有仿生纳米结构的铝箔表面微观形貌如图1所示，表面被密排堆积的纳米球所覆盖，纳米球的直径为100±20nm。图2给出了处理后铝箔表面的原子力显微镜三维图片，经NanoScope Analysis软件分析，该表面的均方根粗糙度为81.5nm，纳米球的堆积厚度为300nm，如图3所示。铝箔处理前后颜色差异较小，处理后的铝箔表面更显光洁，且仍具有金属光泽，如图4和图5所示。图6显示水滴在这种表面的形态，经标定，接触角为165°，呈现超疏水性。图7为超疏水铝箔表面的水滴黏附性测试，箭头方向表示用注射针头提拉水滴的运动方向。在这种表面，水滴可以轻易滑动，表明黏附性很小。通过结露特性试验（图8），在环境温度27℃、相对湿度34%、冷表面温度-4℃条件下，具有仿生纳米结构的超疏水表面（左侧）可显著抑制结露的发生，且形成的微米级凝露呈球状，易脱落，而未经处理的铝箔表面（右侧）的结露较为严重。
实例2
（1）将0.04mm厚铝箔（30mm*30mm，铝元素含量为99.5%）依次用丙酮、去离子水超声清洗并吹干，随后浸入1mol/L的NaOH水溶液中处理，时间约30-60s，在本实例中，处理时间为60s，以去除铝箔表面氧化膜。
（2）以磷酸和丙三醇的混合水溶液为电解液，以镍片为阴极，以铝箔为阳极，两极平行正对放置，面积比为1:1，间距20mm，在室温及恒电流模式下进行阳极氧化，所述电流密度为4.8mA/cm2，氧化时间150min。阳极氧化结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将磷酸分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的浓度为127g/L，丙三醇的浓度为110g/L；
（3）将水溶液处理后的铝箔在70℃的液态硬脂酸中浸泡1h，然后在70℃的热乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80℃下固化30 min。制备的具有仿生纳米结构的铝箔表面水滴接触角为167°，黏附性很小，且抗结露性能优异。
实例3
（1）将0.04mm厚铝箔（30mm*30mm，铝元素含量为99.5%）依次用丙酮、去离子水超声清洗并吹干，随后浸入1mol/L的NaOH水溶液中处理，时间约30-60s，在本实例中，处理时间为30s，以去除铝箔表面氧化膜。
（2）以磷酸和丙三醇的混合水溶液为电解液，以镍片为阴极，以铝箔为阳极，两极平行正对放置，面积比为1:1，间距20mm，在室温及恒电流模式下进行阳极氧化，所述电流密度为4.2mA/cm2，氧化时间130min。阳极氧化结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将磷酸分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的浓度为135g/L，丙三醇的浓度为50g/L；
（3）将水溶液处理后的铝箔在70℃的液态硬脂酸中浸泡1h，然后在70℃的热乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80℃下固化30 min。制备的具有仿生纳米结构的铝箔表面水滴接触角为164°，黏附性很小，且抗结露性能优异。
Claims (1)
1.一种铝箔仿生纳米结构超疏水抗结露功能表面的处理方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：
（1）前处理：将铝箔经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入1mol/L的NaOH水溶液中处理30-60s，然后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；所述铝箔厚度小于0.1mm，铝元素含量为99.5%；
（2）阳极氧化处理：以磷酸和丙三醇的混合水溶液为电解液，以镍片为阴极，以铝箔为阳极，两极平行正对放置，面积比为1:1，间距20mm，在室温及恒电流模式下进行阳极氧化，所述电流密度为3.2-4.8mA/cm2，氧化时间120-150min，阳极氧化结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将磷酸分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的浓度为127-255g/L，丙三醇的浓度为50-150g/L；
（3）化学改性：将水溶液处理后的铝箔在70℃的液态硬脂酸中浸泡1h，然后在70℃的热乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80℃下固化30min，即可制备出具有仿生纳米结构超疏水抗结露功能的铝箔。
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