CN103993320B - 一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，包括以下步骤：对铝或铝合金表面依次用去离子水、丙酮、乙醇、去离子水进行清洁处理，得到洁净的铝或铝合金表面；在洁净的铝或铝合金表面形成粗糙的微米尺度表面形貌、纳米尺度表面形貌或微米‑纳米复合尺度表面形貌。经本发明方法处理的铝或铝合金表面，具有优异的超疏水性，水滴的静态接触角可达150°以上，接触角滞后10°以下，本发明适用于制冷设备与空气源热泵等设备中蒸发器的铝或铝合金配件、铝合金门窗、车船飞行器铝合金零配件以及其他铝或者铝合金部件表面的超疏水化处理，尤其适用于需要对冷凝水滴甚至冷凝微米水滴超疏的铝或铝合金表面的超疏水化处理。

Description

一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法

技术领域

本发明涉及金属表面处理方法，具体涉及一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法。

背景技术

水对材料表面的润湿性与材料表面的物理结构以及化学性质有关。一般意义上的超疏水性指的是室温下的材料表面，对室温下的水滴是超疏的，水滴在材料表面的静态接触角150°以上，接触角滞后10°以下。然而，有研究表明，随着材料表面温度的下降，其超疏水性能会逐渐下降，当温度降低至零度以下后，其超疏水性能甚至会丧失。对于冷凝水滴，尤其是对于尺度更小的冷凝微米水滴，一般的超疏水表面更加不具有超疏水性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，经该方法处理的铝或铝合金表面不仅对室温下的水滴具有超疏水性，而且对冷凝水滴，甚至冷凝微米水滴同样具有超疏水性。水滴的静态接触角150°以上，接触角滞后10°以下。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，包括以下步骤：

1）预处理：对铝或铝合金表面依次用去离子水、丙酮、乙醇、去离子水进行清洁处理，除去表面的油污和杂质，得到洁净的铝或铝合金表面；

2）形貌处理：在洁净的铝或铝合金表面形成粗糙的微米尺度表面形貌、纳米尺度表面形貌或微米-纳米复合尺度表面形貌，所述的微米尺度表面形貌由多个微米尺度的孔洞组成，所述的纳米尺度表面形貌由多个纳米尺度的孔洞或颗粒组成，所述的微米-纳米复合尺度表面形貌由多个微米尺度的孔洞和多个纳米尺度的孔洞或颗粒组成。

上述清洁处理可以为擦拭、冲洗、浸泡、超声清洗中的一种或几种方式。由多个孔洞有规律排列、重叠或交叉组成的孔洞阵列和/或由多个孔洞无规律排列、重叠或交叉组成的孔洞阵列构成微米尺度表面形貌。孔洞的横向切面形状包括但不限于正方形、长方形、圆形、椭圆形、半圆形、扇形、三角形、多边形、多角形以及其他不规则图形，优选为正方形、圆形、或三角形；孔洞的纵向切面形状包括但不限于正方形、长方形、半圆形、扇形、三角形以及其他不规则图形，优选为正方形、长方形或半圆形。

优选地，在步骤2）的形貌处理后包括表面修饰处理的步骤：通过化学气相沉积或者溶液修饰的方式，将疏水分子自组装到具有粗糙的表面形貌的铝或铝合金表面，所述的疏水分子为全氟硅烷或全氟烷烃；所述的溶液修饰为：将铝或铝合金置于全氟硅烷溶液或全氟烷烃溶液中1min~24h后，取出铝或铝合金，冲洗后干燥，所述的全氟硅烷溶液由全氟硅烷溶解于乙醇、异丙醇、甲苯、二甲苯、己烷和石油醚中的一种或几种中得到，所述的全氟烷烃溶液由全氟烷烃溶解于乙醇、异丙醇、甲苯、二甲苯、己烷和石油醚中的一种或几种中得到。

优选地，在表面修饰处理后还包括表面覆膜的步骤：将有机硅树脂涂覆到铝或铝合金表面固化成膜，所述的固化成膜包括室温固化成膜、加热固化成膜、光固化成膜、潮气固化成膜中的一种或几种。

优选地，在步骤2）的形貌处理后包括表面覆膜的步骤：将有机硅树脂涂覆到铝或铝合金表面固化成膜，所述的固化成膜包括室温固化成膜、加热固化成膜、光固化成膜、潮气固化成膜中的一种或几种。

优选地，所述的形貌处理包括激光加工处理和/或纳米结构化处理，通过所述的激光加工处理在铝或铝合金表面形成多个微米尺度的孔洞，通过所述的纳米结构化处理在铝或铝合金表面形成多个纳米尺度的孔洞或颗粒，通过所述的激光加工处理和所述的纳米结构化处理在铝或铝合金表面形成多个微米尺度的孔洞和多个纳米尺度的孔洞或颗粒。

优选地，所述的纳米结构化处理为化学刻蚀或真空蒸镀。

优选地，所述的化学刻蚀处理为：将铝或铝合金置于40~100℃的水中或者浓度为0~30%的碱溶液中反应1min~2h，在铝或铝合金表面形成多个纳米尺度的孔洞；所述的真空蒸镀处理为：将铝或铝合金在真空中进行蒸发或升华，在铝或铝合金表面析出得到多个纳米尺度的颗粒。上述碱溶液可以为氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液。

优选地，所述的微米尺度的孔洞的孔径为1~100µm、孔洞的深度为1~50µm、相邻两个孔洞之间的中心距为1~200µm，所述的纳米尺度的孔洞或颗粒的尺度为1~500nm。激光加工处理加工出的孔洞的形状和大小相对来说可控性较好；纳米结构化处理得到的纳米尺度的孔洞的形状不太规整，仅能控制其整体尺度。

优选地，所述的微米尺度的孔洞的孔径为2~50µm、孔洞的深度为5~20µm、相邻两个孔洞之间的中心距为10~100µm，所述的纳米尺度的孔洞或颗粒的尺度为1~300nm。

优选地，所述的微米尺度的孔洞的孔径为5~20µm、孔洞的深度为5~15µm、相邻两个孔洞之间的中心距为20~50µm，所述的纳米尺度的孔洞或颗粒的尺度为1~200nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）超疏水性能优异：经本发明方法处理的铝或铝合金表面，具有优异的超疏水性，不仅对普通水滴具有超疏水性，对冷凝微米水滴也同样具有超疏水性，水滴的静态接触角可达150°以上，接触角滞后10°以下。

（2）适用范围广：本发明表面处理方法适用于制冷设备与空气源热泵等设备中蒸发器的铝或铝合金配件、铝合金门窗、车船飞行器铝合金零配件以及其他铝或者铝合金部件表面的超疏水化处理，尤其适用于需要对冷凝水滴甚至冷凝微米水滴超疏的铝或铝合金表面的超疏水化处理。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1的铝试样的表面处理方法，包括以下步骤：

1）预处理：将铝试样依次在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洁处理，除去表面杂质、油污等，得到洁净的铝试样；

2）形貌处理：包括激光加工处理和纳米结构化处理：

激光加工处理：采用激光加工处理在铝试样的表面加工出多个圆形的微米尺度的孔洞，孔径约为50µm、孔洞的深度为10~25µm、相邻两个孔洞之间的中心距为1~200µm；

纳米结构化处理：将激光加工处理后的铝试样置于沸水中处理10min，在铝试样的表面形成多个纳米尺度的孔洞；

经过上述形貌处理后的铝试样具有微米-纳米复合尺度表面形貌；

3）表面修饰处理：将形貌处理后的铝试样通过化学气相沉积的方式，在40℃温度下，在具有微米-纳米复合尺度表面形貌的铝试样表面自组装疏水分子十七氟癸基三甲氧基硅烷；

4）表面覆膜：将有机硅树脂的乙醇溶液与固化剂混合均匀后，涂覆到经疏水修饰的铝试样表面，再将铝试样置于60℃的烘箱中加热固化2h，得到对冷凝微米水滴超疏的实施例1的铝试样。对实施例1的铝试样进行冷凝水滴静态接触角测试，测得的冷凝水滴静态接触角为151°，接触角滞后为9°。可见，该铝试样的表面对冷凝微米水滴具有超疏水性，必然对普通水滴具有超疏水性，具有优异的超疏水性。

实施例2的铝试样的表面处理方法，包括以下步骤：

1）预处理：将铝试样依次在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洁处理，除去表面杂质、油污等，得到洁净的铝试样；

2）形貌处理：包括激光加工处理和纳米结构化处理：

激光加工处理：采用激光加工处理在铝试样的表面加工出多个圆形的微米尺度的孔洞，孔径约为20µm、孔洞的深度为5~20µm、相邻两个孔洞之间的中心距为20~100µm；

纳米结构化处理：采用真空蒸镀的方式，将铝试样在真空中进行蒸发，在铝试样表面析出得到纳米尺度的铝颗粒，从而铝试样具有纳米尺度表面形貌；

经过上述形貌处理后的铝试样具有微米-纳米复合尺度表面形貌；

3）表面修饰处理：将形貌处理后的铝试样通过化学气相沉积的方式，在真空条件下，在具有微米-纳米复合尺度表面形貌的铝试样表面自组装疏水分子十七氟癸基三乙氧基硅烷；

4）表面覆膜：将有机硅树脂的乙醇溶液与固化剂混合均匀后，以旋涂的方式覆在经疏水修饰的铝试样表面，再将铝试样置于60℃的烘箱中加热固化2h，得到对冷凝微米水滴超疏的实施例2的铝试样。对实施例2的铝试样进行冷凝水滴静态接触角测试，测得的冷凝水滴静态接触角为155°，接触角滞后为7°。

实施例3的铝试样的表面处理方法，包括以下步骤：

1）预处理：将铝试样依次在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洁处理，除去表面杂质、油污等，得到洁净的铝试样；

2）形貌处理：纳米结构化处理：将激光加工处理后的铝试样置于沸水中处理15min，在铝试样的表面形成多个纳米尺度的孔洞；

3）表面覆膜：将含氟有机硅树脂的乙醇溶液与固化剂混合均匀后，涂覆到具有纳米尺度表面形貌的铝试样表面，室温固化成膜，得到对冷凝微米水滴超疏的实施例3的铝试样。对实施例3的铝试样进行冷凝水滴静态接触角测试，测得的冷凝水滴静态接触角为150°，接触角滞后为10°。

实施例4的铝试样的表面处理方法，包括以下步骤：

1）预处理：将铝试样依次在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洁处理，除去表面杂质、油污等，得到洁净的铝试样；

2）形貌处理：包括激光加工处理和纳米结构化处理：

激光加工处理：采用激光加工处理在铝试样的表面加工出多个圆形的微米尺度的孔洞，孔径约为25µm、孔洞的深度为10~20µm、相邻两个孔洞之间的中心距为1~50µm；

纳米结构化处理：将激光加工处理后的铝试样置于浓度为2%的氢氧化钠溶液中加热至60℃反应10min，在铝试样的表面形成微米-纳米复合尺度的多个孔洞；

经过上述形貌处理后的铝试样具有微米-纳米复合尺度表面形貌；

3）表面修饰处理：将形貌处理后的铝试样通过溶液修饰的方式，将铝试样置于全氟硅烷的环己烷溶液中8h后，取出铝试样，用环己烷冲洗后干燥，在具有微米-纳米复合尺度表面形貌的铝试样表面自组装得到疏水分子十七氟癸基三甲氧基硅烷，得到对冷凝微米水滴超疏的实施例4的铝试样。对实施例4的铝试样进行冷凝水滴静态接触角测试，测得的冷凝水滴静态接触角为152°，接触角滞后为9°。

Claims (6)

1.一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)预处理：对铝或铝合金表面依次用去离子水、丙酮、乙醇、去离子水进行清洁处理，除去表面的油污和杂质，得到洁净的铝或铝合金表面；

2)形貌处理：在洁净的铝或铝合金表面形成粗糙的纳米尺度表面形貌或微米-纳米复合尺度表面形貌，所述的纳米尺度表面形貌由多个纳米尺度的孔洞或颗粒组成，所述的微米-纳米复合尺度表面形貌由多个微米尺度的孔洞和多个纳米尺度的孔洞或颗粒组成；所述的微米尺度的孔洞的孔径为5～20μm、孔洞的深度为5～15μm、相邻两个孔洞之间的中心距为20～50μm，所述的纳米尺度的孔洞或颗粒的尺度为1～200nm；

在步骤2)的形貌处理后包括表面修饰处理的步骤：通过化学气相沉积或者溶液修饰的方式，将疏水分子自组装到具有粗糙的表面形貌的铝或铝合金表面，所述的疏水分子为全氟硅烷或全氟烷烃；所述的溶液修饰为：将铝或铝合金置于全氟硅烷溶液或全氟烷烃溶液中1min～24h后，取出铝或铝合金，冲洗后干燥，所述的全氟硅烷溶液由全氟硅烷溶解于乙醇、异丙醇、甲苯、二甲苯、己烷和石油醚中的一种或几种中得到，所述的全氟烷烃溶液由全氟烷烃溶解于乙醇、异丙醇、甲苯、二甲苯、己烷和石油醚中的一种或几种中得到。

2.根据权利要求1所述的一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，其特征在于在表面修饰处理后还包括表面覆膜的步骤：将有机硅树脂涂覆到铝或铝合金表面固化成膜，所述的固化成膜包括室温固化成膜、加热固化成膜、光固化成膜、潮气固化成膜中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，其特征在于在步骤2)的形貌处理后包括表面覆膜的步骤：将有机硅树脂涂覆到铝或铝合金表面固化成膜，所述的固化成膜包括室温固化成膜、加热固化成膜、光固化成膜、潮气固化成膜中的一种或几种。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，其特征在于所述的形貌处理包括激光加工处理和/或纳米结构化处理，通过所述的激光加工处理在铝或铝合金表面形成多个微米尺度的孔洞，通过所述的纳米结构化处理在铝或铝合金表面形成多个纳米尺度的孔洞或颗粒，通过所述的激光加工处理和所述的纳米结构化处理在铝或铝合金表面形成多个微米尺度的孔洞和多个纳米尺度的孔洞或颗粒。

5.根据权利要求4所述的一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，其特征在于所述的纳米结构化处理为化学刻蚀或真空蒸镀。

6.根据权利要求5所述的一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法，其特征在于所述的化学刻蚀处理为：将铝或铝合金置于40～100℃的水中或者浓度为0～30％的碱溶液中反应1min～2h，在铝或铝合金表面形成多个纳米尺度的孔洞；所述的真空蒸镀处理为：将铝或铝合金在真空中进行蒸发或升华，在铝或铝合金表面析出得到多个纳米尺度的颗粒。