CN104480423A - 一种利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超音速电弧喷涂技术制备超疏水涂层的方法，包括如下步骤：首先将基体进行表面粗化处理；然后利用超音速电弧喷涂技术在基材表面制备涂层；最后在涂层表面修饰低表面能物质并干燥后形成超疏水表面。本发明的制备方法具有操作简单、成本低、重复性好、适合工业化生产等优点。此外，本方法可以在多种金属表面、玻璃表面、瓷砖表面制备超疏水涂层，拓宽了超疏水涂层的应用范围，使规模生产更具市场价值。

Description

一种利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法
技术领域
本发明涉及超疏水材料的制备方法，特别涉及一种利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法。
背景技术
超疏水是固体表面的一种独特润湿性，是指表面与水接触角大于150°，滚动角小于10°。由于超疏水表面具有特殊的润湿特性，使其在工业装置和建筑物的自清洁、高压电气设备的自清洁与防闪络、生物医学和仿生材料应用、管道防水与抗腐蚀、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。正是由于有如此的需求，因此研究材料超疏水表面的制备方法和应用极为重要，也引起了研究人员的极大兴趣。
研究发现，固体表面的润湿性能由其表面的化学组成和微观几何结构决定，构筑超疏水表面的两个基本条件是低的表面自由能和适当的粗糙结构。目前，制备粗糙结构表面方法很多，包括光刻法、微机械加工法、模板挤出法、化学气相沉积法、等离子体表面刻蚀法等。
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。
专利号为201110157267.8的专利申请公开了一种在铜基体表面构建超疏水薄膜的方法，通过铜和硝酸银的置换反应生成具有微纳米结构的银层，在铜基体上构建粗糙表面，利用长链羧酸在银表面形成自组装膜来降低表面能。
申请号为201110264159.0的专利申请公开了一种制备超疏水镁合金表面的工艺方法，采用电化学刻蚀技术在镁合金板上加工出二元微纳米粗糙结构，再经低表面能的氟硅烷修饰后获得超疏水性。
申请号为200810183386.9的专利申请公开了一种金属钛或钛合金超疏水表面的制备方法，通过水热法得到微纳米粗糙结构，再经低表面能的化学修饰剂修饰后，得到与纯水、酸或碱液的接触角均超过150°的超疏水表面。虽然，就润湿性而言，上述方法能有效制备出超疏水表面，但是，现有的这些方法还存在着各自的缺点和局限性，如操作过程复杂且难以控制，难以大规模制备等，这些缺陷不利于工业化生产及实际应用的需要。此外，上述每种方法只能在特定的一种或两种材料上制备超疏水表面，普适性较差。因此，发展一种可在多种基体上大规模制备出超疏水表面的方法非常必要。
发明内容
本发明提供一种利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，该方法具有操作简单、成本低、重复性好、适合工业化生产等优点。
本发明采用的超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，基本原理是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极,利用两根金属丝端部短路产生的电弧使丝材熔化,用压缩气体将已熔化的金属雾化呈微熔滴,并使其加速,以很高的速度沉积到基体表面形成涂层，所述金属涂层具有合适的粗糙结构表面，然后在粗糙表面修饰低表面能物质并干燥后即可获得超疏水表面。
一种利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，包括如下步骤：
(1)将基体进行表面粗化处理。
通过对基体进行表面粗化处理能够提高超音速电弧喷涂涂层与基体的结合力。
所述的表面粗化处理可以采用喷砂机进行喷砂，喷砂的工艺参数为：空气压力0.3-1.0MPa，喷砂时间10秒-2分钟，喷砂用砂丸目数40-200目。
本方法可以采用各种基体材料，在多种金属表面、玻璃表面、瓷砖表面制备超疏水涂层，拓宽了超疏水涂层的应用范围，使规模生产更具市场价值。
优选地，步骤(1)中所述基体为金属、陶瓷、瓷砖、玻璃或塑料。
(2)在步骤(1)进行表面粗化处理后的基体上利用超音速电弧喷涂制备金属涂层。
控制超音速电弧喷涂的电流、电压、压缩空气压力、喷涂距离等电弧喷涂参数获得足够粗糙度的涂层表面，一般说来，电流和电压决定了喷涂材料的熔融程度，压缩空气的压力、喷涂距离影响材料在基材上的铺展程度从而影响涂层表面的粗糙度，改变这些参数，为制备超疏水材料提供合适的微观几何结构表面。
优选的工艺参数为：电流50-200A，电压10-50V，压缩空气压力为0.1-1.5MPa，喷涂距离为8-30cm，超音速电弧枪移动速度10-50mm/s。
所述超音速电弧喷涂所用材料为普通金属丝材，例如铝丝材、铜丝材、锌丝材、锡丝材、铁丝材、镍丝材等等，优选铝丝材、铜丝材、锌丝材。
所述金属丝材为铝丝材、铜丝材或锌丝材时，控制超音速电弧喷涂的工艺参数为：电流50-150A，电压15-30V，压缩空气压力为0.3-0.8MPa，喷涂距离为15-25cm，超音速电弧枪移动速度15-25mm/s，在基体表面形成厚度约为100-200微米的铝涂层、铜涂层或锌涂层。
优选地，以铝丝材为喷涂材料时，控制超音速电弧喷涂的喷涂参数为：电流100-150A，电压20-30V，压缩空气压力为0.3-0.7MPa，喷涂距离为15-25cm，超音速电弧枪移动速度15-20mm/s，在基体表面形成厚度约为100-200微米的铝涂层。
优选地，以铜丝材为喷涂材料时，控制超音速电弧喷涂的喷涂参数为：电流50-100A，电压15-25V，压缩空气压力为0.4-0.8MPa，喷涂距离为15-25mm，超音速电弧枪移动速度20-25mm/s，在基体表面形成厚度约为100-200微米的铜涂层。
优选地，以锌丝材为喷涂材料时，控制超音速电弧喷涂的喷涂参数为：电流45-120A，电压10-20V，压缩空气压力为0.5-0.7MPa，喷涂距离为15-20mm，超音速电弧枪移动速度15-20mm/s，在基体表面形成厚度约为100-200微米的锌涂层。
(3)在步骤(2)所述的金属涂层上喷涂低表面能物质，在温度范围为150-500℃下干燥，即制得超疏水涂层。
构筑超疏水表面的两个基本条件是低的表面自由能和适当的粗糙结构。因此优选地，步骤(3)中所述的低表面能物质为氟树脂、氟碳树脂、氟硅烷、聚氨酯的一种或几种。
步骤(3)中，喷涂低表面能物质后的干燥温度较大地影响了低表面能物质熔融情况及其在金属涂层表面的分布情况。
优选地，当低表面能物质为氟树脂、氟碳树脂、氟硅烷的一种或几种时，由于这些物质的熔点较高，较高的温度可以使这些低表面能物质更全面的修饰到粗糙金属涂层表面，从而可以获得更好、更稳定的疏水表面，因此步骤(3)中所述干燥温度范围为200-360℃。
固体表面的润湿性能由其表面的微观几何结构和化学组成决定，目前制备超疏水表面的方法存在各自的缺点，还无法工业化应用。本发明利用超音速电弧喷涂技术可以在多种基材表面大面积制备粗糙结构表面涂层，然后在粗糙结构涂层表面修饰低表面能物质并干燥后形成超疏水表面。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：
1.工艺简单，效率高，与基体结合良好，适合现场施工，成本低。
2.可以在非平面复杂结构基底上大面积的制备。
3.制备的超疏水涂层，接触角大于150°，滚动角小于10°，具有良好的自清洁性；并且有优异的耐摩擦和耐腐蚀性能。
4.本发明制备的超疏水表面可应用于多种工业零部件外表面和管道内壁等需要自清洁、耐腐蚀、抗结冰和减小水阻力等各种场合。
附图说明
图1为实施例1制备的超疏水涂层表面扫描电镜图；
图2为实施例1制备的超疏水涂层表面光学数码照片；
图3为实施例1制备的超疏水表面的接触角测量结果图；
图4为实施例2制备的超疏水表面的接触角测量结果图；
图5为实施例3制备的超疏水表面的接触角测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，基体材料为316不锈钢或玻璃，涂层与基体材料结合良好。该超疏水涂层的具体制备方法如下：
1、对316不锈钢、玻璃采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，喷砂分别采用的气压为0.5MPa和0.3MPa，使其粗糙度达到喷涂要求；
2、采用超音速电弧喷涂方法，以铝丝材为喷涂材料，在基体表面形成厚度约为150微米的铝涂层。其中，控制超音速电弧喷涂的喷涂参数为：电流100A，电压25V，压缩空气压力为0.5MPa，喷涂距离为150mm，超音速电弧枪移动速度20mm/s。
3、采用质量浓度为1％聚氨酯对涂层进行喷涂修饰，100℃干燥2小时即可获得超疏水涂层，接触角为151±3度，滚动角为6.5±1度。
实施例2：
本实施例中，基体材料为AZ91D镁合金、TC4钛合金或铝合金，涂层与基体材料结合良好。该超疏水涂层的具体制备方法如下：
1、对AZ91D镁合金、TC4钛合金、铝合金采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，喷砂采用的气压为0.5MPa，使其粗糙度达到喷涂要求；
2、采用超音速电弧喷涂方法，以铜丝材为喷涂材料，在基体表面形成厚度约为200微米的铜涂层。其中，控制超音速电弧喷涂的喷涂参数为：电流120A，电压25V，压缩空气压力为0.5MPa，喷涂距离为150mm，超音速电弧枪移动速度20mm/s。
3、采用质量浓度为5％聚四氟乙烯对涂层进行喷涂修饰，250℃干燥2小时即可获得超疏水涂层，接触角为150±2度，滚动角为7.5±1度。
实施例3：
本实施例中，基体材料为铜片或瓷砖，涂层与基体材料结合良好。该超疏水涂层的具体制备方法如下：
1、对铜片、瓷砖采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，喷砂分别采用的气压为0.5MPa和0.3MPa，使其粗糙度达到喷涂要求；
2、采用超音速电弧喷涂方法，以锌丝材为喷涂材料，在基体表面形成厚度约为250微米的锌涂层。其中，控制超音速电弧喷涂的喷涂参数为：电流80A，电压20V，压缩空气压力为0.5MPa，喷涂距离为150mm，超音速电弧枪移动速度20mm/s。
3、采用质量浓度为7％聚四氟乙烯对涂层进行喷涂修饰，250℃干燥2小时即可获得超疏水涂层，接触角为153±2度，滚动角为6.5±1度。

Claims (10)

1.一种利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，包括如下步骤：
(1)将基体进行表面粗化处理；
(2)在步骤(1)进行表面粗化处理后的基体上利用超音速电弧喷涂制备金属涂层；
(3)在步骤(2)所述的金属涂层上喷涂低表面能物质，在温度范围为150-500℃下干燥，即制得超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：所述基体为金属、陶瓷、瓷砖、玻璃或塑料。
3.根据权利要求1所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：所述的表面粗化处理为采用喷砂机进行喷砂。
4.根据权利要求3所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：所述的喷砂的工艺参数为：空气压力0.3-1.0MPa，喷砂时间10秒-2分钟，喷砂用砂丸目数40-200目。
5.根据权利要求1所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：所述的超音速电弧喷涂的工艺参数为：电流50-200A，电压10-50V，压缩空气压力为0.1-1.5MPa，喷涂距离为8-30cm，超音速电弧枪移动速度10-50mm/s。
6.根据权利要求1所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：所述超音速电弧喷涂所用材料为金属丝材。
7.根据权利要求6所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：所述的金属丝材为铝丝材、铜丝材、锌丝材、锡丝材、铁丝材或镍丝材。
8.根据权利要求7所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：所述金属丝材为铝丝材、铜丝材或锌丝材时，控制超音速电弧喷涂的工艺参数为：电流50-150A，电压15-30V，压缩空气压力为0.3-0.8MPa，喷涂距离为15-25cm，超音速电弧枪移动速度15-25mm/s，在基体表面形成厚度约为100-200微米的铝涂层、铜涂层或锌涂层。
9.根据权利要求1所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的低表面能物质为氟树脂、氟碳树脂、氟硅烷、聚氨酯的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的方法，其特征在于：步骤(3)喷涂低表面能物质后的干燥温度范围为200-360℃。
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