CN104451819A - 一种构造高稳定超疏水铝表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，在室温条件下依次用丙酮和乙醇超声清洗铝片，然后用去离子水冲洗，接着将铝片放在氢氧化钠溶液中碱蚀，再用去离子水冲洗，最后将铝片置于硝酸溶液中酸蚀；将上述预处理后的铝片作为阳极，以铅板为阴极，在磷酸溶液中电解，电解液恒温，使其表面生成氧化铝薄膜；将上述处理后的铝片浸入氨水溶液中，铝片被氨水腐蚀；将上述处理后的铝片浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷混合液中，浸泡10~30h，取出用正己烷冲洗后即可获得具有超疏水的铝片。通过本发明的方法获得的超疏水金属铝在放置4个月后，接触角无变化，滚动角小于5°，不仅具有良好的超疏水性和自清洁功能，而且具有很强的防腐蚀能力。

Description

一种构造高稳定超疏水铝表面的方法
技术领域
本发明属于材料学领域，尤其涉及一种超疏水材料，具体来说是一种构造高稳定超疏水铝表面的方法。
背景技术
    铝是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第2位。至19世纪末，铝才崭露头角，成为在工程应用中具有竞争力的金属，且风行一时。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属－铝的生产和应用。然而，常用的铝合金表面处理方法所获得的金属表面不具有自清洁性，容易被污染，而且在酸、碱、盐等腐蚀性溶液环境中的长期保护性能还很欠缺。因此，需要研究更稳定更强且长期保护性能更好的新型的铝合金保护方法。将超疏水表面技术应用于金属材料，可以起到自清洁、抑制表面腐蚀和表面氧化、降低摩擦系数以及增强抗霜冻性能的效果，因此，制备金属基超疏水表面材料，具有重要的学术意义和经济意义。
制备超疏水表面可以从两个方面入手：一方面是使材料表面具有微细的粗糙结构；另一方面是用低表面能物质修饰材料表面。仅通过在光滑表面上修饰低表面能物质，通常只能使接触角增加到119°。因此，构建合适的表面粗糙结构是制备超疏水表面的关键。目前，制备超疏水固体表面粗糙结构的方法很多，如机械加工法、物理或化学气相沉积法、电化学方法、溶胶一凝胶法、模板法、激光或等离子体刻蚀法等。然而，现有的这些方法还存在着各自不同的缺点和局限性，或是所用的原料特殊，或是操作过程难以控制，或是加工设备昂贵，或不能大面积生产等等。所以通过比较简便易行的方法来实现表面的超疏水性就成了当前制备超疏水表面技术中最重要的目标之一。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，所述的这种构造高稳定超疏水铝表面的方法要解决现有技术中的铝片表面低表面能物质易脱落，超疏水稳定性差的缺点。
本发明一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，包括如下步骤：
(1)一个将铝片预处理的步骤，在室温条件下依次用丙酮和乙醇超声清洗铝片，然后用去离子水冲洗，接着将铝片放在氢氧化钠溶液中碱蚀，再用去离子水冲洗，最后将铝片置于硝酸溶液中酸蚀；从而达到铝表面抛光的目的；
(2)一个将铝片表面氧化的步骤，将上述预处理后的铝片作为阳极，以铅板为阴极，在磷酸溶液中电解，电解液恒温，使其表面生成氧化铝薄膜；
(3)一个将铝片表面粗糙化的步骤，将步骤（2）处理后的铝片浸入氨水溶液中，铝片被氨水腐蚀。从而构造微-纳米结构的表面形貌，并使氧化铝与氨水反应，产生羟基；
(4)一个将铝片表面修饰的步骤，将步骤（3）处理后的铝片浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷混合液中，浸泡10~30h，取出用正己烷冲洗后即可获得具有超疏水的铝片。
进一步的，步骤（1）中氢氧化钠的浓度为0.5~2 mol/L，较佳的浓度是1mol/L，氢氧化钠腐蚀的时间是0.5~2min，较佳的腐蚀时间是1min；硝酸的浓度为质量分数5~15%，较佳的浓度是质量分数10%，硝酸腐蚀的时间是1-1.5min，较佳的时间是1.5min。
进一步的，步骤（2）中磷酸溶液的浓度为2.5-4mol/L；反应温度为-0.5~2℃；最佳为0℃；反应时间为5min-2h，电压为30-50V。
进一步的，步骤（3）中氨水浓度的质量分数25~40%，最佳是质量分数35%，氨水的浸泡时间是2-5h。
进一步的，步骤（4）中，硬脂酸和二环己基碳二亚胺在正己烷中的浓度为2~4 mM/L，优选为3mM/L，其中硬脂酸和二环己基碳二亚胺为任意配比。
本发明采用阳极氧化法使铝片表面生成氧化铝薄膜，显著的提高了铝片的防腐蚀性能。本发明所用的电解液是磷酸，所用的表面地表面能物质是硬脂酸、DCC、正己烷，超疏水基体可以是纯铝或铝合金。铝片薄膜与低表面能物质之间以化学键的形式结合，使其结合力强于物理黏附形成的超疏水材料，因而增强超疏水铝片的机械性能和延长其使用寿命。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。通过本发明的方法制备的超疏水铝片与水的静态接触角均大于150o，滚动接触角小于5o，放置4个月后该铝片静态接触角无明显变化，性能稳定。通过本发明的方法获得的超疏水铝片不仅具有良好的超疏水性和自清洁功能，而且具有很强的防腐蚀能力。而且本发明的方法所用工艺设备简单，便于操作，易于实现工业化，应用前景广阔。
附图说明
    图1是实例1中超疏水铝片表面形貌图(原子力显微镜图)；
    图2是实例1中超疏水铝片与水滴的接触角图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
实施例1
     首先，将铝片（铝元素含量为99，99%）依次用丙酮、乙醇超声清洗，并用去离子水冲洗吹干。随后浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液中处理，时间为60s，取出后用去离子水冲洗，并吹干，接下来再浸入质量分数10%的硝酸溶液中60s，取出后用去离子水冲洗，吹干。配制3mol/L的磷酸溶液作为电解液，然后以铝板为阳极，铅板为阴极通电进行反应。控制反应温度为0℃，恒电压40V，反应时间为15min。将反应后的铝片用去离子水清洗并吹干；在质量分数35%的氨水中浸3h，取出后用去离子水冲洗并吹干；最后将铝片浸入均是3mM/L的硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷溶液中24h，即可制备出具有超疏水性的铝片。用接触角测试仪测试该铝片表面的润湿性，结果表明与水的接触角为155±1°。
实施例2
     首先，将铝片（铝元素含量为99，99%）依次用丙酮、乙醇超声清洗，并用去离子水冲洗吹干。随后浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液中处理，时间为60s，取出后用去离子水冲洗，并吹干，接下来再浸入质量分数10%的硝酸溶液中60s，取出后用去离子水冲洗，吹干。配制2.6mol/L的磷酸溶液作为电解液，然后以铝板为阳极，铅板为阴极通电进行反应。控制反应温度为0℃，恒电压38V，反应时间为15min。将反应后的铝片用去离子水清洗并吹干；在质量分数35%的氨水中浸3.5h，取出后用去离子水冲洗并吹干；最后将铝片浸入均是3mM/L的硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷溶液中24h，即可制备出具有超疏水性的铝片。用接触角测试仪测试该铝片表面的润湿性，结果表明与水的接触角为152±1°。
实施例3
     首先，将铝片（铝元素含量为99，99%）依次用丙酮、乙醇超声清洗，并用去离子水冲洗吹干。随后浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液中处理，时间为60s，取出后用去离子水冲洗，并吹干，接下来再浸入质量分数10%的硝酸溶液中60s，取出后用去离子水冲洗，吹干。配制2.6mol/L的磷酸溶液作为电解液，然后以铝板为阳极，铅板为阴极通电进行反应。控制反应温度为0℃，恒电压40V，反应时间为30min。将反应后的铝片用去离子水清洗并吹干；在质量分数35%的氨水中浸3h，取出后用去离子水冲洗并吹干；最后将铝片浸入均是3mM/L的硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷溶液中24h，即可制备出具有超疏水性的铝片。用接触角测试仪测试该铝片表面的润湿性，结果表明与水的接触角为154±1°。

Claims (5)

1.一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，其特征在于包括如下步骤：
一个将铝片预处理的步骤，在室温条件下依次用丙酮和乙醇超声清洗铝片，然后用去离子水冲洗，接着将铝片放在氢氧化钠溶液中碱蚀，再用去离子水冲洗，最后将铝片置于硝酸溶液中酸蚀；
一个将铝片表面氧化的步骤，将上述预处理后的铝片作为阳极，以铅板为阴极，在磷酸溶液中电解，电解液恒温，使其表面生成氧化铝薄膜；
一个将铝片表面粗糙化的步骤，将步骤（2）处理后的铝片浸入氨水溶液中，铝片被氨水腐蚀；
一个将铝片表面修饰的步骤，将步骤（3）处理后的铝片浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷混合液中，浸泡10~30h，取出用正己烷冲洗后即可获得具有超疏水的铝片。
2.根据权利要求1所述的一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，其特征在于：步骤（1）中氢氧化钠的浓度为0.5~2 mol/L，氢氧化钠腐蚀的时间是0.5~2min；硝酸的浓度为质量分数5~15%，硝酸腐蚀的时间是1-1.5min。
3.根据权利要求1所述的一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，其特征在于：步骤（2）中磷酸溶液的浓度为2.5-4mol/L；反应温度为-0.5~2℃，反应时间为5min-2h，电压为30-50V。
4.根据权利要求1所述的一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，其特征在于：步骤（3）中氨水的浓度为质量分数25~40%，氨水的浸泡时间是2-5h。
5.根据权利要求1所述的一种构造高稳定超疏水铝表面的方法，其特征在于：步骤（4）中，硬脂酸和二环己基碳二亚胺在正己烷中的浓度为2~4 mM/L，硬脂酸和二环己基碳二亚胺为任意配比。
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