CN106148958A - 基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，该自动化生产线包括工作台18、自动化机械手6、化学处理浴池、上料平台7、下料平台8、抽风系统9以及加热炉10；化学处理浴池位于工作台18的上方，包括清洗浴池1、酸性化学浴池2、碱性化学浴池3、去离子水浴池4、化学修饰浴池5；上料平台7、下料平台8分别位于化学处理浴池的左方和右方；自动化机械手7，位于化学处理浴池的上方；抽风系统9，位于酸性化学浴池2、去离子水浴池4和化学修饰浴池5的上方；加热炉10，位于下料平台8的右方；本发明的有益效果：提高了润湿性能和一致性，操作简单、效率高、周期短，极大的降低大复杂金属工件表面处理的成本。

Description

基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线

技术领域

本发明涉及金属材料表面处理生产技术，具体来说是一种基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线。

背景技术

工程金属材料在工业制造、管道运输、航海、航天等领域有着广泛的应用。如铝及其合金因其比重轻、比强高，价格适当，规格品种齐全多用于空调和冰箱的蒸发器，仪器、仪表的外壳和轮船、潜艇的舱体等, 超亲水和超疏水表面以其独特的润湿性，使得在工程材料上制备超亲水/超疏水表面已经成为国内外研究的热点。其应用主要包括抗结冰结霜、抗腐蚀、减阻、自清洁、油水分离等方面，并已逐渐开展超疏油、外界刺激下润湿行为转变、微流体等方面的应用。在超亲水和超疏水材料领域中，表面制备技术不仅是研究的前沿热点，更是决定超疏水和超亲水材料工程应用的关键，在高科技技术的快速发展中具有举足轻重的作用。

目前，国内外对金属材料超亲水/超疏水表面处理技术虽然多种多样，但受制于制备工序复杂，成本高，周期长，效率低，影响因素诸多难以控制等特点，对一些特殊加工的方法只能加工小块样品，尤其是三维复杂工件，仍处于实验室阶段，很难实现大规模复杂三维面上的制备，从而难以实现商业化应用。

目前对金属材料表面采用喷涂技术制备的超亲水/超疏水表面，稳定性、耐磨性及使用寿命都不理想。如何在大尺寸复杂三维金属件上制备完好的微纳米结构，从而获得均匀一致、稳定性、耐磨性优良的润湿性表面，仍将是近期乃至较长一段时间内的研究重点目标。迫切需要研发适于工业化生产的超亲水/超疏水金属表面处理工业化生产线，以满足工业制造、制冷、航海、航天等领域的市场需求。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有金属表面处理技术存在的不足，旨在提供一种既能解决复杂三维结构金属件制备难且工序复杂问题，又能提高生产效率、降低生产成本及生产周期的基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，包括：工作台、自动化机械手、化学处理浴池，上料平台、下料平台、抽风系统以及加热炉；化学处理浴池位于工作台的上方，包括清洗浴池、酸性化学浴池、碱性化学浴池、去离子水浴池、化学修饰浴池；上料平台，位于化学处理浴池的左方；下料平台，位于化学处理浴池的右方；自动化机械手，位于化学处理浴池的上方，可实现金属件从上料平台到下料平台各工序中的搬运转移；抽风系统，位于酸性化学浴池、去离子水浴池和化学修饰浴池的上方，可实现挥发性气体的吸收和分离；加热炉，位于下料平台的右方，实现超亲水和超疏水表面处理之后的工件的固化。

进一步地，本发明提供的基于微纳结构的超亲水/超疏水表面处理自动化生产线处理的金属工件由铝或铝合金构成。

进一步地，自动化机械手为直角坐标机械手，其端拾器及机械手臂表面涂覆特氟龙材料，具有耐酸碱功能。

进一步地，所有化学浴池材质选用PP，耐酸碱腐蚀，耐高温，浴池尺寸依具体的金属工件大小灵活设计。

进一步地，酸性化学浴池和去离子水浴池连有恒温化学处理浴池，包括：浓度监测系统、自动加料机构、加热系统以及溶液循环系统组成，以满足化学浴池溶液的浓度和温度的控制需求，确保工件表面润湿性能的一致性。

进一步地，加热炉为多层抽屉式结构，各层炉门可以独立自动开启。

本发明的基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线与同类表面处理技术相比具有以下优点：

1.基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，由于实现全自动化，并通过添加恒温化学循环处理浴池保证了各工序中溶液浓度、温度、时间上的准确性，减小了由于人操作带来的误差，从而保证了工件表面质量的一致性和均匀性。

2.基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线采用的是浸入式方法进行金属表面微纳米处理，使得该技术适用的工件不受尺寸和形状的限制，可以实现任意三维复杂金属工件的表面处理，降低了制造周期，还可以极大的降低小批量、大型复杂金属工件表面处理的成本。

3.与目前金属材料表面喷涂技术相比，运用该技术进行表面处理的工件具有微米-纳米双层结构，润湿性能稳定性更好，耐磨性更好，使用寿命更长。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明所涉及的基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线结构示意图。

图2、图3为本发明所涉及的恒温化学处理浴池结构示意图。

图4为水滴与本发明的事例性实施方案中制备的超疏水性界面所形成的接触角的大小。

图5为本发明的一个事例性实施方案中，金属工件表面上形成的微米结构的扫描电子显微镜（SEM）图像；

图6为在图5中所示金属工件的表面上，在微米级结构表面所形成的的纳米级片状结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。

附图标记

1、清洗浴池，2、酸性化学浴池，3、碱性化学浴池，4、去离子水浴池，5、化学修饰浴池，6、机械手，7、上料平台，8、下料平台，9、抽风系统，10、加热炉，11、恒温化学处理浴池，12、PP浴池，13、浓度监控系统，14、自动加料系统，15、加热系统，16、溶液循环管路，17、水泵，18、工作台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

在本发明中，“微米级”尺寸定义为大于或等于1μm并小于1000μm的尺寸；“纳米级”尺寸定义为大于或等于1nm并小于1000nm的尺寸。

图1示意性示出根据本发明提供的一种基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线的优选实施方案，如图1所示，该自动化生产线，包括工作台18，自动化机械手6、化学处理浴池、上料平台7、下料平台8、抽风系统9以及加热炉10。

自动化机械手6位于化学处理浴池的上方，可实现金属件从上料平台7到下料平台8各工序中的搬运转移，其中该自动化机械手6可设计成直角坐标机械手，其端拾器及机械手臂表面涂覆特氟龙材料，具有耐酸碱功能。

化学处理浴池用于金属工件表面微纳结构的构建，由图中可以看出，在本优选实施例中，化学处理浴池位于工作台18的上方，包括清洗浴池1、酸性化学浴池2、碱性化学浴池3、去离子水浴池4、化学修饰浴池5；清洗浴池1中的溶液清洗去除工件表面的油污和油脂，保证工件表面无油污杂质；酸性化学浴池2中溶液利用金属中的位错暴露在工件表面形成形成微米凹坑和凹槽；碱性化学浴池3中的溶液在工件表面的微米结构再生成纳米结构；去离子水浴池4，采用高温去离子水，能进一步稳定金属工件中的纳米结构，增大金属表面粗糙化程度；通过加热炉10高温烘烤工件，能起到固化表面结构作用，使得金属工件表面结构更耐磨。化学修饰浴池5中的溶液不影响工件表面的结构，通过自组装粘附在工件表面的微纳结构上，并能提高工件疏水性能的稳定性。

表面处理完后的工件送入加热炉10中固化，为方便工件的拾取和摆放，加热炉10设计为多层抽屉式结构，各层炉门可以独立自动开启，为保证加热温度和加热环境的均匀，加热炉10必须设计为对流恒温烤箱。

由于化学溶液在进行表面处理过程中，酸性溶液和化学修饰溶液一般具有较强的挥发性，在酸性化学浴池2、去离子水浴池4和化学修饰浴池5的顶部需设计抽风系统9，可实现挥发性气体的回收和处理。

优选地，上述所有化学浴池能耐酸碱腐蚀，耐高温，材质选用PP，浴池尺寸依金属工件大小灵活设计。

参看图2、图3，本实施例中酸性化学浴池2和去离子水浴池4下方连有恒温化学循环处理浴池，包括：浓度监测系统13、自动加料机构14、加热系统15以及溶液循环系统16，如图2、图3所示，工作台面18下PP浴池12与工作台面18上酸性化学浴池2、去离子水浴池4之间通过循环管路16连接，利用水泵17的工作，下面PP浴池12的溶液不断补充进酸性化学浴池2和离子水浴池4中并充分混合均匀，该恒温化学循环系统通过加热系统15对溶液进行加热并保持恒温，用浓度监控系统13实时监控化学溶液的浓度以保证酸性溶液的质量，该系统还设置了自动加料系统14，及时补充化学反应和挥发损失掉的溶液，从而确保工件表面润湿性能的一致性。

图4为本发明一个示例性实施方案所制备的金属表面测得的接触角大小，该表面与水的接触角为162°，接触角滞后为2.6°。图5为金属工件中形成的微米级结构SEM图像。图6为所形成的的纳米级片状结构的SEM图像。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1.基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，由于实现

全自动化，并通过添加恒温化学循环处理浴池保证了各工序中溶液浓度、温度、时间上的准确性，减小了由于人操作带来的误差，从而保证了工件表面质量的一致性和均匀性。

2.基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线采用的是浸

入式方法进行金属表面处理，使得该技术适用的工件不受尺寸和形状的限制，可以实现任意三维复杂金属工件的表面处理，降低了制造周期，还可以极大的降低小批量、大型复杂金属工件表面处理的成本。

3.与目前金属材料表面喷涂技术相比，运用该技术进行表面处理的工件

具有微米-纳米双层结构，润湿性能稳定性更好，耐磨性更好，使用寿命更长。

虽然通过结合目前认为可实施的示例性实施方案描述了本发明，但是需要理解的是本发明不限于所公开的实施方案，而且相反，本发明意欲涵盖包括在所附权利要求的主旨和范围中多种改进和等效形式。

Claims (4)

1.一种基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，包括工作台18，自动化机械手6、化学处理浴池、上料平台7、下料平台8、抽风系统9以及加热炉10；所述化学处理浴池位于工作台18的上方，包括清洗浴池1、酸性化学浴池2、碱性化学浴池3、去离子水浴池4、化学修饰浴池5；上料平台7，位于所述化学处理浴池的左方；下料平台8，位于所述化学处理浴池的右方；自动化机械手7，位于所述化学处理浴池的上方，可实现金属件从所述上料平台7到所述下料平台8各工序中的搬运转移；抽风系统9，位于酸性化学浴池2、去离子水浴池4和化学修饰浴池5的上方，可实现挥发性气体的回收和处理；加热炉10，位于下料平台8的右方，实现超亲水或超疏水表面处理之后的工件的固化；上料平台7，位于所述化学处理浴池的左方；下料平台8，位于所述化学处理浴池的右方；自动化机械手6，位于所述化学处理浴池的上方，可实现金属件从所述上料平台7到所述下料平台8各工序中的搬运转移；抽风系统9，位于所述酸性化学浴池2、去离子水浴池4和化学修饰浴池5的上方，可实现挥发性气体的吸收和分离；加热炉10，位于所述下料平台8的右方，实现超亲水和超疏水表面处理之后的工件的固化。

2.根据权利要求1所述的基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，其特征在于：所述自动化机械手6为直角坐标机械手，其端拾器及机械手臂表面涂覆特氟龙材料，具有耐酸碱功能。

3.根据权利要求1所述的基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，其特征在于：所述酸性化学浴池2和去离子水浴池4连有恒温化学处理浴池11，包括：浓度监测系统13、自动加料机构14、加热系统15以及溶液循环系统16组成，以满足化学浴池溶液的浓度和温度控制需求，确保工件表面润湿性能的一致性。

4.根据权利要求1所述的基于微纳结构的超亲水/超疏水金属表面处理自动化生产线，其特征在于：所述加热炉10为多层抽屉式结构，各层炉门可以独立自动开启。