CN102847668B - 一种高强铝合金表面超疏水防护膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强铝合金表面超疏水防护膜的制备方法，该方法包括水热成膜和膜层疏水化处理2个步骤；其中水热成膜步骤中所用溶液为稀土硝酸盐水溶液，由此可得到对高强铝合金具有优良防护作用且具有特定纳/微粗糙结构的稀土氧化膜；稀土氧化膜的纳/微粗糙结构为实现膜层的超疏水功能奠定了基础，因此通过对膜层进行疏水化处理即可实现膜层的超疏水，从而可降低高强铝合金与腐蚀介质直接接触的机会，进一步增强膜层的防护作用。通过本发明方法制备的高强铝合金表面超疏水防护膜兼具优良的超疏水功能和防护功能，可望获得广泛应用。本发明方法具有绿色环保、工艺简单、操作方便、易于大规模工业化生产等特点。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面处理领域，具体涉及一种高强铝合金表面超疏水防护膜的制备方法。
背景技术
高强铝合金是一种高强度硬铝，由于具有质量轻、比强度高、比刚度高的优点，在航空航天领域得到大量使用，常被用来制作各种高负荷的零件和构件，如飞机上的骨架，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等。由于飞机在服役过程中必然面临复杂、严酷的自然环境，腐蚀问题不容忽视。腐蚀不仅破坏高强铝合金本身，而且对飞机结构完整性构成严重威胁，甚至导致机毁人亡的重大事故。因此发展高强铝合金的高效防护技术意义重大。
金属表面超疏水防护膜被认为是最具潜力的高效防护技术之一，这是因为超疏水膜层可以降低金属材料与水、溶液等介质直接接触的机会，对于膜层的防护性能具有较大促进作用。目前，已经发展了一些针对普通铝合金材料超疏水表面的制备方法，如通过喷砂处理、化学刻蚀等方法先构筑粗糙表面进而通过修饰低表面能物质实现膜层超疏水功能。CN101007304公开的“铝及铝合金超疏水表面的制作方法”等文献中已对铝合金超疏水表面的构筑方法进行了较为详细的综述。但由于高强铝合金如航空工业应用最为广泛的2024铝合金，其成分中含有较多的铜，在进行时效处理时会在晶界析出θ(CuAl2)相、S(CuMgAl2)相及少量MnAl6等第二相，使得晶界周围形成贫Cu区，这种微观组织的严重不均匀性使得难以沿用针对普通铝合金材料的超疏水表面制备方法实现对高强铝合金超疏水表面的成功构筑，并且目前方法制备的超疏水膜层主要通过降低铝合金与腐蚀介质直接接触的机会来发挥防护作用，但膜层本身的防护能力较为有限，从而难以产生优良的防护效果。因此，发展针对高强铝合金的超疏水防护膜制备技术非常必要和迫切。
发明内容
针对现有技术制备高强铝合金表面超疏水防护膜存在的困难和问题，本发明的目的是提供一种高强铝合金表面超疏水防护膜的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：一种高强铝合金表面超疏水防护膜的制备方法，其特征在于，包括水热成膜和膜层疏水化处理2个步骤，具体如下：
①水热成膜：将清洁的高强铝合金工件浸没于装有稀土硝酸盐水溶液的反应釜中，将反应釜密封后于120~160℃的烘箱中保温2~5小时，然后自然冷却到室温，取出工件、吹干；所述稀土硝酸盐水溶液的浓度为0.0005~0.002mol/L；
②膜层疏水化处理：将步骤①水热成膜后的高强铝合金工件置于室温下的疏水处理液中浸泡6~12小时，取出后于80~90℃下烘干0.5~1小时，即得高强铝合金表面超疏水防护膜；
所述疏水处理液为由十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与无水乙醇按照体积比1: 80~120，混合、磁力搅拌1~2小时后得到的溶液。
进一步，所述稀土硝酸盐水溶液为0.001~0.002 mol/L的硝酸铈、硝酸钐、硝酸镧或硝酸钕水溶液。
相比现有技术，本发明具有下述优点：
1、本发明利用稀土氧化膜无毒、无污染的特点及其对高强铝合金良好的防护特性，通过高强铝合金与稀土硝酸盐溶液在密封反应釜中进行水热反应而形成具有优良防护效果的稀土氧化膜；进一步利用该稀土氧化膜特定的纳/微粗糙结构，通过疏水化处理赋予膜层超疏水功能以减少高强铝合金与腐蚀介质直接接触的机会，从而进一步增强膜层的防护作用。
2、通过本发明方法制备的高强铝合金表面超疏水防护膜兼具优良的超疏水功能和防护功能，可望获得广泛应用。
3、本发明方法绿色环保、工艺简单、操作方便、易于大规模工业化生产等特点。
4、本发明方法不仅可以有效解决高强铝合金的防护难题，还可应用于纯铝及其他铝合金的高效防护。
附图说明
图1是采用本发明方法水热实验后高强铝合金表面形成的特定纳/微粗糙结构的场发射扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
以应用广泛的2024和7075高强铝合金为实施对象，将高强铝合金工件依次用200#、400#、600#和800#水砂纸打磨至表面平整，用水冲洗后在无水乙醇中超声清洗5分钟，由此得到表面清洁的高强铝合金工件。
实施例1：
将表面清洁的2024高强铝合金工件依次进行以下处理：
①水热成膜：将清洁的高强铝合金工件浸没于装有0.001mol/L硝酸铈水溶液的反应釜中，将反应釜密封后于130℃的烘箱中保温3小时，然后自然冷却到室温，取出工件、吹干；
②膜层疏水化处理：将步骤①水热成膜后的高强铝合金工件置于室温下的疏水处理液中浸泡10小时，取出后于85℃下烘干1小时，即得高强铝合金表面超疏水防护膜。
所述疏水处理液为由十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与无水乙醇按照体积比1: 100 混合、磁力搅拌2小时后得到的溶液。
膜层超疏水防护功能的检验步骤如下（其他实施例检验步骤相同，故省略。）：
a. 超疏水功能检验：接触角是衡量表面疏水能力的重要指标，它是液体在固体表面达到热力学平衡时所保持的角度。本发明采用北京东方德菲仪器有限公司的OCA20型视频光学接触角测量仪测定水与膜层的接触角，由接触角值是否超过150°判断膜层是否具备了超疏水功能。
b. 防护功能检验：按“ISO9227-90”标准，采用醋酸盐雾试验方法检验膜层耐腐蚀功能。实验在FDY/L－03型盐雾腐蚀试验箱中进行，箱内温度控制为35±2°C，雾液成分为：在50±5g/L的氯化钠溶液中加适量冰醋酸调节其pH值为3.2±0.1，试样暴露面积为10cm2，平行试样3个，定期检查试样，记录试样表面腐蚀产生时间。
膜层功能检验结果：膜表面与水滴的接触角可达到154°，具备超疏水功能；盐雾实验720小时无腐蚀发生，具备优良的防护作用。
实施例2：
将表面清洁的2024高强铝合金工件依次进行以下处理：
①水热成膜：将清洁的高强铝合金工件浸没于装有0.0005mol/L硝酸钐水溶液的反应釜中，将反应釜密封后于160℃的烘箱中保温2小时，然后自然冷却到室温，取出工件、吹干；
②膜层疏水化处理：将步骤①水热成膜后的高强铝合金工件置于室温下的疏水处理液中浸泡6小时，取出后于90℃下烘干0.5小时，即得高强铝合金表面超疏水防护膜。
所述疏水处理液为由十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与无水乙醇按照体积比1: 80 混合、磁力搅拌1小时后得到的溶液。
膜层功能检验结果：膜表面与水滴的接触角可达到155°，具备超疏水功能；盐雾实验720小时无腐蚀发生，具备优良的防护作用。
实施例3：
将表面清洁的7075高强铝合金工件依次进行以下处理：
①水热成膜：将清洁的高强铝合金工件浸没于装有0.001mol/L硝酸镧水溶液的反应釜中，将反应釜密封后于120℃的烘箱中保温5小时，然后自然冷却到室温，取出工件、吹干；
②膜层疏水化处理：将步骤①水热成膜后的高强铝合金工件置于室温下的疏水处理液中浸泡12小时，取出后于80℃下烘干1小时，即得高强铝合金表面超疏水防护膜。
所述疏水处理液为由十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与无水乙醇按照体积比1: 120 混合、磁力搅拌2小时后得到的溶液。
膜层功能检验结果：膜表面与水滴的接触角可达到163°，具备超疏水功能；盐雾实验720小时无腐蚀发生，具备优良的防护作用。
实施例4：
将表面清洁的7075高强铝合金工件依次进行以下处理：
①水热成膜：将清洁的高强铝合金工件浸没于装有0.002mol/L硝酸钕水溶液的反应釜中，将反应釜密封后于140℃的烘箱中保温4小时，然后自然冷却到室温，取出工件、吹干；
②膜层疏水化处理：将步骤①水热成膜后的高强铝合金工件置于室温下的疏水处理液中浸泡8小时，取出后于85℃下烘干1小时，即得高强铝合金表面超疏水防护膜。
所述疏水处理液为由十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与无水乙醇按照体积比1: 90 混合、磁力搅拌1.5小时后得到的溶液。
膜层功能检验结果：膜表面与水滴的接触角可达到157°，具备超疏水功能；盐雾实验720小时无腐蚀发生，具备优良的防护作用。
本发明利用稀土氧化膜无毒、无污染的特点及其对高强铝合金良好的防护特性，通过高强铝合金与稀土硝酸盐溶液在密封反应釜中进行水热反应而形成具有优良防护效果的稀土氧化膜；进一步利用该稀土氧化膜特定的纳/微粗糙结构（如附图1所示），通过疏水化处理赋予膜层超疏水功能以减少高强铝合金与腐蚀介质直接接触的机会，从而进一步增强膜层的防护作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，其他依据本发明技术方案进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种高强铝合金表面超疏水防护膜的制备方法，其特征在于，包括水热成膜和膜层疏水化处理2个步骤，具体如下：
①水热成膜：将清洁的高强铝合金工件浸没于装有稀土硝酸盐水溶液的反应釜中，将反应釜密封后于120~160℃的烘箱中保温2~5小时，然后自然冷却到室温，取出工件、吹干；所述稀土硝酸盐水溶液的浓度为0.0005~0.002mol/L；
②膜层疏水化处理：将步骤①水热成膜后的高强铝合金工件置于室温下的疏水处理液中浸泡6~12小时，取出后于80~90℃下烘干0.5~1小时，即得高强铝合金表面超疏水防护膜；
疏水处理液为由十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与无水乙醇按照体积比1: 100 混合、磁力搅拌2小时后得到的溶液。
2.根据权利要求1所述的一种高强铝合金表面超疏水防护膜的制备方法，其特征在于，所述稀土硝酸盐水溶液为0.001~0.002 mol/L的硝酸铈、硝酸钐、硝酸镧或硝酸钕水溶液。
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