CN102677059A - 一种超疏水铝及其制备方法 - Google Patents

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陈刚
赵玉涛
胡杰
杨进
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Abstract

本发明涉及超疏水材料技术领域，特别涉及一种超疏水铝及其制备方法。本发明以铝为基材，将铝片浸泡到盐酸溶液中发生化学反应，并经沸水煮沸，从而在铝表面构造出微米级突起、孔洞以及纳米级鳞片状的微纳米复合结构，再用全氟辛酸修饰后，得到的铝片表面具有超疏水性能。

Description

一种超疏水铝及其制备方法
技术领域
本发明涉及超疏水材料技术领域，特别涉及一种超疏水铝及其制备方法。
背景技术
材料表面的润湿性取决于材料的表面化学性质和微观结构；所谓超疏水表面是指与水的接触角大于150°的表面，滚动角小于10°；由于其在防水、防雾、防雪、防污染、抗粘连、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等方面具有广泛的应用前景，受到材料科学研究者的广泛关注。
铝为银白色金属，熔点为657℃，密度为2.70g/cm3；由于具有高的比强度和较好的延展性、且易成型加工等优异的物理、化学性能，金属铝在电子、电力、交通、航空、空间、化工、建材等许多工业领域及日常生活中有着广泛的应用，成为目前工业中使用量仅次于钢铁的第二大类金属材料；但是，铝的安全电位非常低(≤1.6 V)，当铝和其它高电位的金属接触时，极易发生接触腐蚀；因此就铝作为非常重要的工程材料而言，如何提高铝表面的抗氧化和抗腐蚀性能是非常重要的。
从已有的研究看提高铝表面的抗氧化、抗腐蚀性能的方法很多，如表面物理处理、表面化学处理、表面涂层技术、等离子表面处理技术等等都可以大大地提高其表面的抗氧化和抗腐蚀性能；这些措施比较繁琐、费时、往往需要特殊的制备过程以及对环境有毒污染等缺点，大大制约了金属表面的实际应用；因此，发明一种方便、高效、低成本的制备技术，制备出具有界面结合强度较高的超疏水铝表面是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超疏水铝及其制备方法，本发明以铝为基材，将铝片浸泡到盐酸溶液中发生化学反应，并经沸水煮沸，从而在铝表面构造出微米级突起、孔洞以及纳米级鳞片状的微纳米复合结构，再用全氟辛酸修饰后，得到的铝片表面具有超疏水性能。
一种超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面为突起、孔洞状结构，这种突起、孔洞状物质的直径为1~5微米。
上述的超疏水铝，其特征在于：所述突起、孔洞状物质的上面又分布着纳米鳞片。
上述的超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面与水滴的接触角在155~168o之间，水滴在铝表面的滚动角小于5o。
上述的超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面对pH在1~14范围内的液滴均呈现出良好的超疏水性能，其接触角均保持在152o以上。
上述的超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面的超疏水性质稳定，在温度范围为5~35℃、相对湿度为20~60%的环境中放置一年，超疏水性质没有发生变化。
上述的超疏水铝，其特征在于所述超疏水铝的表面经过空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，转变为超亲水表面；该超亲水表面经全氟辛酸修饰后又重新转变为超疏水表面。
等离子体处理的目的是，打断上述超疏水铝表面的全氟辛酸的C-F键，导致与表面进行络合的低表面能物质全氟辛酸的降解。
本发明的超疏水铝表面的制备方法包括以下步骤：
首先，将铝片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗5~10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铝片。
将上述预处理后的铝片浸入浓度为2~6mol/L且温度为15~75℃的盐酸溶液中反应8分钟，取出，用去离子水进行清洗，接着放入沸水中处理20分钟，取出，用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铝表面。
将上述具有粗糙结构的铝片在0.005~0.03mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，10~60分钟后取出，用氮气吹干，得到超疏水铝。
附图说明
图1 实施例1制备的超疏水铝表面的接触角照片；
图2 实施例1制备的超疏水铝表面的SEM照片。
具体实施方式
通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地解析本发明，但下述实施例并不是对本发明的限定。
实施例1
首先，将铝片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铝片；然后将上述预处理后的铝片浸入浓度为3.5mol/L且温度为45℃的盐酸溶液中反应8分钟，取出，用去离子水进行清洗，接着放入沸水中处理20分钟，取出，用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铝表面；最后将上述具有粗糙结构的铝片在0.01mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，60分钟后取出，用氮气吹干，得到超疏水铝。
参见图1，采用OCAH200接触角测试仪测试该铝表面的润湿性，结果表明该表面与水的接触角为168o，滚动角小于5o。
采用JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜对铝表面形貌进行了观察，发现该铝表面是突起、孔洞状的微纳米复合结构，如图2。
采用OCAH200接触角测试仪测试 pH值为1的液滴与实施例1制备的铝表面的润湿性，结果表明该表面与pH值为1的液滴的接触角为162o，滚动角小于5o。
采用OCAH200接触角测试仪测试 pH值为14的液滴与实施例1制备的铝表面的润湿性，结果表明该表面与pH值为14的液滴的接触角为163o，滚动角小于5o。
将实施例1制备的铝表面在温度范围为10℃、相对湿度为60%的环境中放置一年，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明该表面与水的接触角为167o，滚动角小于5o。
将实施例1制备的铝表面用空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该表面与水的接触角为0o；将等离子体处理后的铝表面置于0.01mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，10分钟后取出，用氮气吹干，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该表面与水的接触角168o，滚动角小于5o。
实施例2
首先，将铝片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铝片；然后将上述预处理后的铝片浸入浓度为4mol/L且温度为30℃的盐酸溶液中反应8分钟，取出，用去离子水进行清洗，接着放入沸水中处理20分钟，取出，用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铝表面；最后将上述具有粗糙结构的铝片在0.008mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，60分钟后取出，用氮气吹干，得到超疏水铝表面。
采用OCAH200接触角测试仪测试该铝表面的润湿性，结果表明该表面与水的接触角为165o，滚动角小于5o。
采用JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜对铝表面形貌进行了观察，发现该铝表面是突起、孔洞状的微纳米复合结构。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为5的液滴与实施例2制备的铝表面的润湿性，结果表明该表面与pH值为5的液滴的接触角均大于163o，滚动角小于5o。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为12的液滴与实施例2制备的铝表面的润湿性，结果表明该表面与pH值为12的液滴的接触角均大于162o，滚动角小于5o。
将实施例2制备的铝表面在温度范围为35℃、相对湿度为30%的环境中放置一年，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明该表面与水的接触角为165o，滚动角小于5o。
将实施例2制备的铝表面用空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该表面与水的接触角为0o；将等离子处理后的铝表面置于0.008mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，10分钟后取出，用氮气吹干，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该表面与水的接触角165o，滚动角小于5o。
实施例3
首先，将铝片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铝片；然后将上述预处理后的铝片浸入浓度为2.5mol/L且温度为75℃的盐酸溶液中反应8分钟，取出，用去离子水进行清洗，接着放入沸水中处理20分钟，取出，用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铝表面；最后将上述具有粗糙结构的铝片在0.02mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，40分钟后取出，用氮气吹干，得到超疏水铝表面。
采用OCAH200接触角测试仪测试该铝表面的润湿性，结果表明该表面与水的接触角为155o，滚动角小于5o。
采用JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜对铝表面形貌进行了观察，发现该铝表面是突起、孔洞状的微纳米复合结构。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为3的液滴与实施例3制备的铝表面的润湿性，结果表明该表面与pH值为3的液滴的接触角均大于152o，滚动角小于5o。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为10的液滴与实施例3制备的铝表面的润湿性，结果表明该表面与pH值为10的液滴的接触角均大于153o，滚动角小于5o。
将实施例3制备的铝表面在温度范围为25℃、相对湿度为40%的环境中放置一年，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明该表面与水的接触角为155o，滚动角小于5o。
将实施例3制备的铝表面用空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该表面与水的接触角为0o；将等离子处理后的铝表面置于0.02mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，10分钟后取出，用氮气吹干，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该表面与水的接触角155o，滚动角小于5o。 

Claims (7)

1.一种超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面为突起、孔洞状结构，这种突起、孔洞状物质的直径为1~5微米。
2.如权利要求1所述的一种超疏水铝，其特征在于：所述突起、孔洞状物质的上面又分布着纳米鳞片。
3.如权利要求1所述的一种超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面与水滴的接触角在155~168o之间，水滴在铝表面的滚动角小于5o。
4.如权利要求1所述的一种超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面对pH在1~14范围内的液滴均呈现出良好的超疏水性能，其接触角均保持在152o以上。
5.如权利要求1所述的一种超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面的超疏水性质稳定，在温度范围为5~35℃、相对湿度为20~60%的环境中放置一年，超疏水性质没有发生变化。
6.如权利要求1所述的一种超疏水铝，其特征在于：所述超疏水铝的表面经过空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，转变为超亲水表面；该超亲水表面经全氟辛酸修饰后又重新转变为超疏水表面。
7.如权利要求1所述的一种超疏水铝的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，将铝片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗5~10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铝片；将上述预处理后的铝片浸入浓度为2~6mol/L且温度为15~75℃的盐酸溶液中反应8分钟，取出，用去离子水进行清洗，接着放入沸水中处理20分钟，取出，用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铝表面；将上述具有粗糙结构的铝片在0.005~0.03mol/L的全氟辛酸水溶液中浸泡，10~60分钟后取出，用氮气吹干，得到超疏水铝。
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