CN104131322A

CN104131322A - 铝材表面超疏水薄膜及其制备方法

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Publication number: CN104131322A
Application number: CN201410331901.9A
Authority: CN
Inventors: 苏峰华; 刘灿森
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2014-11-05

Abstract

本发明涉及一种铝材表面超疏水薄膜及其制备方法，包括如下步骤：(1)将铝材置于电解液中作为阳极，在电流密度为0.1～0.5A·cm^-2条件下进行阳极氧化，时间为1-20min，得到阳极氧化后的铝表面；(2)将阳极氧化后的铝表面在含有氟硅烷的乙醇溶液中浸泡至少1min，然后将工件在100-200℃进行热处理，处理5-40min后自然冷却，得到铝材表面超疏水薄膜。本发明超疏水表面制备方法简单，成本低廉，易于工业化。制备的超疏水表面接触角超过150°，滚动角低于10°，疏水性稳定。该表面不仅具有非常好的超疏水和自清洁功能，而且具有优异的耐磨、防腐蚀功能。

Description

铝材表面超疏水薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及在各种大小和形状各异的铝材表面获得长期稳定的超疏水薄膜的方法，所获得的超疏水表面不仅具有非常好的超疏水和自清洁功能，而且具有优异的耐摩擦和防腐蚀功能。

背景技术

铝是自然界中分布最广泛的金属元素，其比强度高、比重小等优点，使得铝材在各个领域都有广泛的应用。虽然铝在空气中具有较好的耐蚀性，但是铝的化学活泼性使其在湿度较大的环境下或海水中容易受到腐蚀，这限制了铝材在工业上的应用。而超疏水表面(材料表面与水接触角大于150°)具有特殊的润湿特性，使其在防水、防雾、防污染、防结冰、防腐蚀和自清洁以及生物医学和仿生材料应用、流体减阻节能、电力输送塔架和电缆在冬季防冰雪等许多方面都有潜在应用前景，因此受到来自工业界和科研界科研人员的广泛关注。当水滴在超疏水表面的滚动角小于10°时，液滴在超疏水表面滚动的过程中吸附污染物并将其带离表面，从而达到清洁的目的。超疏水表面具有自清洁、抑制表面腐蚀等特性，因此在铝材表面制备超疏水薄膜具有深远的意义。材料表面的润湿性取决于材料表面的微观结构和表面化学性质。目前，化学刻蚀、电化学沉积、化学气相沉积、硬质阳极氧化和等离子体等方法可用于在铝材表面制备具有超疏水功能的表面。申请号为201110282445.X公开了一种制备铝基多孔超疏水表面的阳极氧化方法，所用的电解液是硫酸、重络酸钾、草酸、氯化钠和干油，所用的表面涂覆材料为硬脂酸、乙醇。申请号为201210483659.8公开了一种金属表面超疏水铝表面制备方法，在活性金属基磁控溅射铝镀层表面构建微纳复合结构，然后在十四酸中浸泡一段时间，获得超疏水铝表面。申请号为201210160825.0公开了一种超疏水铝及其制备方法，首先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，再经低表面能的全氟辛酸修饰后获得超疏水性能。申请号为201310739501.7公开了一种超疏水铝及铝合金表面的制备方法，在常温常压下将铝或铝合金在含有偏铝酸钠和尿素的水溶液中处理，获得粗糙表面，然后在一定温度下进行化学气相沉积，将疏水化合物修饰在其表面，获得超疏水铝及铝合金表面。然而这些公开专利并未涉及所获超疏水表面的耐腐蚀及耐摩擦性能。而具有良好的耐腐蚀及耐摩擦性能是超疏水工件能在实际的工业上应用的重要关键。

发明内容

本发明专利提供了一种铝材表面超疏水薄膜及其制备方法，采用简单阳极氧化和热处理方法，可在各种大小和形状各异的铝材表面制备具有接触角大于150°，滚动角小于10°的超疏水自清洁表面，该表面还具有优异的耐腐蚀和耐摩擦性能。

铝材表面超疏水薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将铝材置于电解液中作为阳极，所述电解液为浓度0.05～2.0mol·L^-1的中性盐水溶液，在电流密度为0.1～0.5A·cm^-2条件下进行阳极氧化，时间为1-20min，得到阳极氧化后的铝表面；

(2)将阳极氧化后的铝表面在含有氟硅烷的乙醇溶液中浸泡至少1min，然后将工件在80-200℃进行热处理，处理5-40min后自然冷却，得到铝材表面超疏水薄膜。

所述电解液是氯化钠、氯化钾、硫酸钠和硫酸钾中的一种或两者以上的水溶液。

步骤(1)所述电解液的浓度为0.1～1.0mol·L^-1，电流密度为0.2～0.4A·cm^-2，氧化时间为1-10min。

所述氟硅烷的乙醇溶液中氟硅烷体积百分含量为0.5％-10％。

所述氟硅烷包括十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷中的一种或两种以上。

步骤(2)在室温下浸泡，浸泡时间为1-10min，热处理温度为100-150℃，处理时间为10-30min。

所述铝片还经砂纸打磨、洗净和吹干的预处理。

所述砂纸为600～1000目SiC水砂纸。

步骤(1)得到的阳极氧化后的铝表面还经水洗和干燥处理。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的制备方法可在各种大小和形状各异的铝材表面制备超疏水表面，该表面不仅具有非常好的超疏水和自清洁功能，而且具有优异的耐磨、防腐蚀功能。同时该方法处理工艺简单，操作方便；能耗少，成本低；绿色环保，生产效率高，易于实现工业化生产。

2、本发明制备方法不需要复杂的加工设备，制备过程简单，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶、化学行业及建筑行业具有很好的应用价值。

3、本发明阳极氧化所用电解液成分简单，对环境友好。氧化工艺简单可控，不含腐蚀性物质，氧化过程可在室温下进行。

4、本发明热处理方法简单，所用化学试剂成分简单，成本低廉。

5、本发明制备的超疏水表面疏水性能稳定，将其在空气及室温条件下放置几个月后，其表面的超疏水性能无明显变化，并且具有优异的耐摩擦和耐腐蚀性能。

附图说明

图1为实施例1制备超疏水表面的接触角图；

图2为实施例2制备超疏水表面的接触角图；

图3为实施例3制备超疏水表面的接触角图；

图4为实施例4制备超疏水表面的接触角图；

图5为实施例5制备超疏水表面的接触角图；

图6为实施例6制备超疏水表面的接触角图。

具体实例方式

下面结合实例对本发明做进一步详细的描述，但本发明要求保护的范围不限于此。

实施例1

将铝片基材用800目砂纸打磨后用纯净水冲洗，吹干，作为阳极，以同样尺寸铝片作为阴极。在以0.2mol·L^-1氯化钠水溶液为电解液，电流密度为0.4A·cm^-2条件下进行阳极氧化反应，反应温度为室温，反应时间为7min。反应完后将氧化铝材取出，用水清洗，吹干。然后，将氧化铝材在体积浓度为10％的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中浸泡5min，浸泡后取出样品置于烘箱中在100℃条件下处理30min在铝基材表面获得超疏水薄膜。测试该表面的疏水、耐腐蚀和耐摩擦性能，结果如表1所示，其接触角图如图1所示。

实施例2

将铝片基材用1000目砂纸打磨后用纯净水冲洗，吹干，作为阳极，以同样尺寸铝片作为阴极。在以0.1mol·L^-1氯化钾水溶液为电解液，电流密度为0.3A·cm^-2条件下进行阳极氧化反应，反应温度为室温，反应时间为5min。反应完后将氧化铝材取出，用水清洗，吹干。然后，将氧化铝材在体积浓度为1％的十三氟辛基三甲氧基硅烷乙醇溶液中浸泡7min，浸泡后取出样品置于烘箱中在130℃条件下处理10min在铝基材表面获得超疏水薄膜。测试该表面的疏水、耐腐蚀和耐摩擦性能，结果如表1所示，其接触角图如图2所示。

实施例3

将铝片基材用600目砂纸打磨后用纯净水冲洗，吹干，作为阳极，以同样尺寸铝片作为阴极。在以0.3mol·L^-1硫酸钠水溶液为电解液，电流密度为0.3A·cm^-2条件下进行阳极氧化反应，反应温度为室温，反应时间为9min。反应完后将氧化铝材取出，用水清洗，吹干。然后，将氧化铝材在体积浓度为5％的十七氟癸基三甲氧基硅烷乙醇溶液中浸泡10min，浸泡后取出样品置于烘箱中在110℃条件下处理15min在铝基材表面获得超疏水薄膜。测试该表面的疏水、耐腐蚀和耐摩擦性能，结果如表1所示，其接触角图如图3所示。

实施例4

将铝片基材用800目砂纸打磨后用纯净水冲洗，吹干，作为阳极，以同样尺寸铝片作为阴极。在以0.4mol·L^-1硫酸钾水溶液为电解液，电流密度为0.2A·cm^-2条件下进行阳极氧化反应，反应温度为室温，反应时间为5min。反应完后将氧化铝材取出，用水清洗，吹干。然后，将氧化铝材在体积浓度为8％的十三氟辛基三乙氧基硅烷溶液中浸泡3min，浸泡后取出样品置于烘箱中在150℃条件下处理10min在铝基材表面获得超疏水薄膜。测试该表面的疏水、耐腐蚀和耐摩擦性能，结果如表1所示，其接触角图如图4所示。

实施例5

将铝片基材用800目砂纸打磨后用纯净水冲洗，吹干，作为阳极，以同样尺寸铝片作为阴极。在以0.3mol·L^-1氯化钠水溶液为电解液，电流密度为0.3A·cm^-2条件下进行阳极氧化反应，反应温度为室温，反应时间为7min。反应完后将氧化铝材取出，用水清洗，吹干。然后，将氧化铝材在体积浓度为10％的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中浸泡5min，浸泡后取出样品置于烘箱中在100℃条件下处理25min在铝基材表面获得超疏水薄膜。测试该表面的疏水、耐腐蚀和耐摩擦性能，结果如表1所示，其接触角图如图5所示。

实施例6

将铝片基材用1000目砂纸打磨后用纯净水冲洗，吹干，作为阳极，以同样尺寸铝片作为阴极。在以0.4mol·L^-1硫酸钠水溶液为电解液，电流密度为0.4A·cm^-2条件下进行阳极氧化反应，反应温度为室温，反应时间为9min。反应完后将氧化铝材取出，用水清洗，吹干。然后，将氧化铝材在体积浓度为5％的十七氟癸基三甲氧基硅烷乙醇溶液中浸泡1min，浸泡后取出样品置于烘箱中在120℃条件下处理20min在铝基材表面获得超疏水薄膜。测试该表面的疏水、耐腐蚀和耐摩擦性能，结果如表1所示，其接触角图如图6所示。

表1 各种实例制备的超疏水表面性能(耐摩擦性指超疏水表面用800目砂纸摩擦1米后仍保持超疏水性所能忍受的最大压力；耐腐蚀性指在3.5wt％NaCl水溶液中测试的电化学腐蚀率)

本发明方案简单易操作，适合大规模生产，可在复杂形状的各种铝基材表面制备超疏水、耐摩擦和耐腐蚀表面。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.铝材表面超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液是氯化钠、氯化钾、硫酸钠和硫酸钾中的一种或两者以上的水溶液。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述电解液的浓度为0.1～1.0mol·L^-1，电流密度为0.2～0.4A·cm^-2，氧化时间为1-10min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟硅烷的乙醇溶液中氟硅烷体积百分含量为0.5％-10％。

5.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，所述氟硅烷包括十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷中的一种或两种以上。

6.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所浸泡时间为1-10min，热处理温度为100-150℃，处理时间为10-30min。

7.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，所述铝片还经砂纸打磨、洗净和吹干的预处理。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述砂纸为600～1000目SiC水砂纸。

9.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)得到的阳极氧化后的铝表面还经水洗和干燥处理。

10.由权利要求1-9任一所述方法制备得到的铝材表面超疏水薄膜。