CN102671847A

CN102671847A - 一种轻合金表面超疏水薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN102671847A
Application number: CN2012101819868A
Authority: CN
Inventors: 欧军飞; 王法军; 薛名山; 李文
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开一种轻合金表面超疏水薄膜的制备方法，所涉及的轻合金为铝合金、钛合金、镁合金。该方法是，用金相砂纸打磨轻合金表面，经丙酮、超纯水超声清洗后，在90~120℃下，用水或双氧水稀溶液处理6~12h；然后通过化学吸附过程，将低表面能分子组装到其表面，以获得超疏水性质。采用本发明方法处理后的轻合金具有优良的超疏水性，水与表面的接触角大于150°，滚动角在5~10°范围内。本发明获得的超疏水薄膜与基底结合牢固，制备过程无需复杂昂贵的设备，成本低廉，工艺简单。

Description

一种轻合金表面超疏水薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种轻合金表面超疏水薄膜的制备用方法。

背景技术

超疏水是固体表面的一种独特润湿性，超疏水表面与水滴的接触角大于150°，滚动角小于10°。水滴在这样的表面可以自由滚动，从而可达到自清洁的效果。超疏水表面由于其优异的斥水性能，在国防、工农业生产和日常生活中有着广泛的应用前景。例如超疏水技术应用于室外电缆上，可防止积雪从而保证电路畅通；用在船舰外壳上，不但可以减少水的阻力，提高航行速度，还能达到防污防腐的功效；用在石油运输管道内壁，能够防止粘附、堵塞，减少损耗。正是由于有如此的需求，超疏水材料的应用研究才越来越受关注。

通常认为，微米与纳米相结合的复合粗糙结构是引起表面超疏水性的根本原因。目前，制备粗糙结构表面方法很多，包括光刻法、微机械加工法、模板挤出法、化学气相沉积法、等离子体表面刻蚀法等。这些方法有的需要昂贵的设备，有的需要复杂的加工过程，有的难以大面积制备，这些缺陷不利于工业化生产及实际应用的需要。化学刻蚀法利用普通化学刻蚀剂制备出适当的表面微观粗糙结构，是一种简单的具有推广价值的超疏水制备方法。

轻合金材料在航空航天，交通运输等许多领域内有着广泛的应用，如铝合金可用作雷达和飞机的外壳以及轮船、潜艇的舰体；镁合金广泛应用于飞机（尤其是轰炸机）机身；钛合金应用于超音速飞机、航海制造业等。如何在轻合金上构造超疏水表面以解决其在实际应用中遇到的一些关键问题（如腐蚀防护、减阻、防覆冰等）是一个备受关注的课题。近年来，已经出现一些在轻合金表面构筑超疏水表面的方法，如申请号200710026279.0公开了一种铝及铝合金超疏水表面的制作方法，利用含硝酸及金属盐的化学腐蚀液对基体材料进行处理，然后在其表面涂覆低表面能物质；屈孟男等人报道了利用化学腐蚀（氢氟酸/双氧水混合溶剂）处理结合低表面能物质修饰在钛合金上制备了超疏水表面；申请号200910192207.2公布了一种镁合金表面疏水化复合处理方法，主要步骤包括微弧氧化处理和有机镀膜疏水化处理。上述处理方法存在一些显著不足之处，例如粗糙化处理所需化学腐蚀液成分较复杂或需要专业仪器设备；低表面能物质与轻合金基体缺乏牢固的化学键合作用，导致超疏水表面稳定性不高；制备方法对常用轻合金（钛、铝、镁）的普适性有限。因此，针对常用轻合金，发展一种简单通用的方法，在其表面制备性能稳定的超疏水薄膜就显得十分迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻合金表面超疏水薄膜的制备方法，此方法获得的超疏水薄膜结构稳定，制备过程无需复杂昂贵的设备，成本低廉，工艺简单，应用前景广泛。

本发明是这样实现的，主要包括以下步骤：

（1）机械处理：采用金相砂纸打磨亲合金表面，除去表面氧化层；

（2）清洁处理：将打磨后的轻合金基片依次放入丙酮、超纯水中超声清洗5~10 min，以除去表面油污；

（3）化学刻蚀：将超声清洗后的轻合金浸入水或双氧水稀溶液中处理6~12 h，处理温度为90~120℃；

（4）疏水化处理：将化学刻蚀后的轻合金经超纯水超声清洗、甲醇淋洗后，放入疏水处理液中静置0.5~1 h；

（5）热处理：将疏水化处理的轻合金在110 ~ 140℃下热处理0.5~1 h，即可得稳定的超疏水表面。

双氧水稀溶液浓度为5 % ~ 15 %。

疏水处理液为1~10 mmol/L的全氟辛基三氯硅烷甲醇溶液。

本发明具有以下优点：所用化学刻蚀剂成分简单，为超纯水或双氧水稀溶液；采用化学刻蚀的方法不需要昂贵的设备，成本低，可控性较好，易于批量生产；制备超疏水薄膜与基片通过共价键结合，稳定性高；超疏水性好，接触角平均大于155°，滚动角小于10°。

附图说明

图1. 实施例1制备的超疏水表面水滴接触角图片及经过超声处理的接触角图片。

图2. 全氟辛基三氯硅烷在轻合金表面吸附示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，通过实例进行说明：

实施例1

（2）清洁处理：将打磨后的轻合金基片依次放入丙酮、超纯水中超声清洗5~ 10 min，以除去表面油污；

（3）化学刻蚀：将超声清洗后的镁合金、铝合金浸入超纯水中，将钛合金浸入浓度为15 %双氧水稀溶液中，处理时间为3 h，处理温度为90℃；

（4）疏水化处理：将化学刻蚀后的轻合金经超纯水超声清洗、甲醇淋洗后，放入5 mmol/L的全氟辛基三氯硅烷甲醇溶液中静置0.5 h。

（5）热处理：将疏水化处理的轻合金在130 ℃下热处理1 h，即可得稳定的超疏水表面。

水滴在钛合金、铝合金、镁合金表面静态接触角分别为155°、161°、163°，滚动角分别为8°、4°、3°，体现出优异的超疏水性能（图1）。为了检测超疏水薄膜与轻合金基体的结合力，将样品浸入超纯水中超声处理30 min，然后测试润湿性，测试结果与超声处理前无显著差别（图1）。这种强的界面作用归功于低表面能物质与轻合金基体表面牢固的共价键合。具体来说，通过高温水或双氧水处理，轻合金表面生成一层亲水的氧化层，表面含有大量的活性羟基。在适当的条件下，这些羟基能够诱导全氟辛基三氯硅烷与其发生键合，从而使其牢固吸附到基底表面（如图2所示）。

实施例2

（3）化学刻蚀：将超声清洗后的镁合金、铝合金浸入超纯水中，将钛合金浸入浓度为5 %双氧水稀溶液中，处理时间为6 h，处理温度为90℃；

（5）热处理：将疏水化处理的轻合金在120 ℃下热处理1 h，即可得稳定的超疏水表面。

水滴在钛合金、铝合金、镁合金表面静态接触角分别为157°、160°、162°，滚动角分别为8°、5°、5°。

Claims

1.一种石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤：

（1）选取氨基硅烷偶联剂，溶解于体积比为丙酮：水=95：5的混合溶剂，配制氨基硅烷偶联剂稀溶液；

（2）将单晶硅基片浸于体积比为H₂SO₄：H₂O₂=7：3的溶液中，于90℃下处理0.5~1小时，用超纯水超声清洗后用氮气吹干，然后将其浸入上述配制的氨基硅烷偶联剂稀溶液中，静置0.5~1小时取出，在超纯水中超声清洗后用氮气吹干，得到表面组装有氨基硅烷偶联剂薄膜的单晶硅基片；

（3）将氧化石墨烯溶解于超纯水中，超声分散，配制氧化石墨烯稀溶液；

（4）将表面组装有氨基硅烷偶联剂薄膜的单晶硅基片浸入上述配制的氧化石墨烯稀溶液，于80℃下静置6~12小时后取出，在超纯水中超声清洗后用氮气吹干，得到表面组装有氧化石墨烯纳米片的单晶硅基片；

（5）选取低表面能硅烷分子，溶解于甲苯中，配制低表面能硅烷分子稀溶液；

（6）将表面组装有氧化石墨烯的单晶硅基片浸入上述配制的低表面能硅烷分子稀溶液，室温下静置2~12小时，取出后在80℃环境气氛中处理1~2小时，待自然冷却到室温时，取出样品，依次在甲苯、丙酮、超纯水中超声清洗2~5分钟，氮气吹干，即得氧化石墨烯基多层润滑薄膜。

2.如权利要求1所述的石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法，其特征在于氨基硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷。

3.如权利要求1所述的石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法，其特征在于低表面能硅烷分子为十八烷基三氯硅烷。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于氨基硅烷稀溶液的浓度为2 mmol/L~10 mmol/L；氧化石墨烯稀溶液浓度为 0.1~1.0 mg/mL；低表面能硅烷稀溶液的浓度为2 mmol/L~10 mmol/L。