CN106381075B - 一种于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法 - Google Patents

一种于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料表面改性的技术领域，特别涉及一种于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法。首先铝合金表面预处理；再进行胶水涂覆并低温短时烘焙后，立即在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料，最后彻底烘干得到疏水涂层。本发明不仅加强了胶水层与铝合金基底的附着力，胶水层还能紧密结合上层疏水填料，实现了铝合金表面稳定、高效的疏水改性，避免了涂覆前常规刻蚀预处理操作对铝合金基体的破坏。

Description

一种于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法
技术领域
本发明属于金属材料表面改性的技术领域，特别涉及一种于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法。
背景技术
近年来，金属材料疏水性薄膜的制备得到越来越多的关注。铝合金因其具有低密度，优良的导热和导电性，高比强度和优良的铸造性，可回收等优异特性，而成为重要的结构材料，在航空航天、汽车工业、建筑和铁路等领域中已得到广泛应用。对于改善铝合金表面性能，制备具有疏水性的表面将是一个有前途的技术研究。
疏水表面的制备方法很多，目前国内外普遍有化学蚀刻法、电化学法、光刻法等。刻蚀工艺归根结底是一种损伤基材表面的操作，特别是对于薄层的铝合金基材，在刻蚀过程中机械性能会受到很大的影响，甚至导致基材出现裂纹或断裂。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明提供了一种于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法，具体工艺为：
(1)对铝合金表面进行去油污处理，用弱碱或弱酸溶液清洗后，再使用清水或乙醇洗净并烘干，
优选型号6061的铝合金；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水涂覆并低温短时烘焙后，立即在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料，最后彻底烘干得到疏水涂层，
胶水中各组分按重量份数计算如下：
丙烯酸丁酯6～10份、丙烯酸4～9份、丙烯酸异辛酯45～55份、碳氢液体石油树脂12～20份、丙烯酸羟乙酯3～5份、乙酸乙酯25～40份、甲苯15～30份、引发剂0.5～2.5份，
其中，引发剂为氧化苯甲酰胺或偶氮二异丁氰，
碳氢液体石油树脂优选上海欧盛化工有限公司生产的MP200碳氢液体石油树脂，
胶水涂覆的厚度为10μm，涂覆后的烘干温度为65～80℃，烘干时间为2～3分钟；
另一方面，疏水涂料按如下工艺配制：
将二氧化钛粉末或碳纳米管与无水乙醇超声混合配制成悬浮液，向该悬浮液中加入长链硅烷偶联剂并超声混合均匀，得到疏水涂料，
其中，二氧化钛粉末或碳纳米管与无水乙醇的质量比为1～2.5：100，加入的长链硅烷偶联剂与悬浮液的体积比为2～4：100，
长链硅烷偶联剂优选十八烷基三甲氧基硅烷，
胶水、疏水涂料均可采用浸涂、涂刷或辊涂的方式进行涂覆，根据厚度可进行一次或多次涂覆，
疏水涂料涂覆后的烘干温度为95℃，烘干时间为2分钟左右；或于常温下自然干燥20分钟左右，烘干后疏水层厚度控制为3～25μm。
本发明的有益效果在于：本发明通过特定组分的胶水和疏水涂料，不仅加强了胶水层与铝合金基底的附着力，胶水层还能紧密结合上层中改性后的疏水填料，实现了铝合金表面稳定、高效的疏水改性，同时避免了涂覆前常规刻蚀预处理操作对铝合金基体的破坏。
胶水通过若干种具有非反应性羟基的聚合单体的复配，使胶水层对铝合金基材具有了牢固的附着力，且申请人发现，在本发明的胶水体系中，聚合单体相比于碳氢液体石油树脂上的羟基能够优先与铝合金基底产生结合，这使得非反应性的碳氢液体石油树脂在胶水层中更多向远离铝合金基底表面的方向移动，甚至停留到胶水层外表面(上方)的附近，这为该树脂后续对疏水层的结合贡献打下了基础。
胶水中的碳氢液体石油树脂为一种非反应性改性树脂，但具有十分理想的长链结构，而制备工艺中对胶水低温短时间烘焙后立即涂覆接枝有长链硅烷偶联剂的疏水材料，其目的在于：仅经过低温短时的烘培使胶水中碳碳双键的聚合反应处在初期阶段，虽然胶水体系中有大分子链形成，但是各分子链之间的缠结、相互的束缚并不牢固，这就导致了具有长链结构的非反应性碳氢液体石油树脂中相当一部分(特别是处于胶水层外表面的附近那部分树脂)长链仅有一端与胶水主体形成缠结，但另一端还是趋于活动状态，恰好这时将接枝有长链硅烷偶联剂的疏水材料涂覆其上，使碳氢液体石油树脂中趋于活动状态的长链结构能够与接枝在疏水颗粒表面的长链形成缠结而相互牵制，从而使疏水颗粒与胶水层紧密连接在一起；另一方面，正如以上所述由于胶水层已经达到了一定程度的凝胶固化，胶水层外表面以下不远处已经形成了相对紧密的结构，这很好地阻碍了疏水颗粒渗入到胶水层中而被淹没，从而疏水颗粒得以牢固地停留在胶水层的表面充分发挥了抗水效果。
具体实施方式
实施例1
(1)对型号6061的铝合金片材表面进行去油污处理，用弱酸溶液清洗后，再使用乙醇洗净并干燥；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水涂覆，涂覆厚度为10μm，涂覆后立即于70℃下烘焙2.5分钟，烘焙后立即在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料并于95℃下烘干，控制所得的疏水层最终厚度为3μm，
其中，胶水中各组分按重量份数计算如下：
丙烯酸丁酯6份、丙烯酸6份、丙烯酸异辛酯50份、上海欧盛化工有限公司生产的MP200碳氢液体石油树脂16份、丙烯酸羟乙酯5份、乙酸乙酯25份、甲苯20份、偶氮二异丁氰0.7份(为了避免胶水在存储时的无效聚合以及为了严格控制胶水涂覆于铝合金基材表面后的固化进程，本发明中胶水为即配即用)；
疏水涂料按如下工艺配制：
将二氧化钛粉末与无水乙醇按照质量比2.5：100超声混合配制成悬浮液，向该悬浮液中加入十八烷基三甲氧基硅烷并超声混合均匀，得到疏水涂料，
其中，加入的十八烷基三甲氧基硅烷与悬浮液的体积比为3：100。
经检测，本实施例疏水层表面的接触角在155°～160°。
使用53u胶带对本实施例的疏水层粘结牢固之后拉去胶带，疏水层无任何脱落、磨损、突起、裂纹等现象；用新的53u胶带在该疏水层相同的位置进行同样的实验检测操作，每次更换新的53u胶带并循环10次后该位置依然未出现任何脱落、磨损、突起、裂纹等现象，证明疏水层与胶水层的结合力理想。
实施例2
(1)具体操作同实施例1；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水涂覆(胶水组分、含量同实施例1，即配即用)，涂覆厚度为10μm，涂覆后于70℃下烘干，得到固化后的胶水层。
使用53u胶带对本实施例的胶水层粘结牢固之后拉去胶带，胶水层无任何脱落、磨损、突起、裂纹等现象；用新的53u胶带在该胶水层相同的位置进行同样的实验检测操作，每次更换新的53u胶带并循环10次后该位置依然未出现任何脱落、磨损、突起、裂纹等现象，证明胶水层与铝合金表面的结合力理想。
对比实施例1
未进行胶水层的涂覆，其余操作均同实施例1：
(1)具体操作同实施例1；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面涂覆疏水涂料(疏水涂料组分、含量同实施例1)并于95℃下烘干，控制所得的疏水层最终厚度为3μm。
使用53u胶带对本对比实施例的疏水层粘结牢固之后拉去胶带，仅一次拉扯实验，相应位置的疏水材料就大片脱落，脱落处周围也产生明显的突起、裂纹，证明疏水层直接与铝合金表面结合很弱。
对比实施例2
步骤(2)的胶水成分中未加入碳氢液体石油树脂，其余操作均同实施例1：
(1)具体操作同实施例1；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水涂覆，涂覆厚度为10μm，涂覆后立即于70℃下烘焙2.5分钟，烘焙后立即在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料(疏水涂料组分、含量同实施例1)并于95℃下烘干，控制所得的疏水层最终厚度为3μm，
其中，胶水中各组分按重量份数计算如下：
丙烯酸丁酯6份、丙烯酸6份、丙烯酸异辛酯50份、丙烯酸羟乙酯5份、乙酸乙酯25份、甲苯20份、偶氮二异丁氰0.7份(为了避免胶水在存储时的无效聚合以及为了严格控制胶水涂覆于铝合金基材表面后的固化进程，本发明中胶水为即配即用)。
使用53u胶带对本对比实施例的疏水层粘结牢固之后拉去胶带，疏水层表面产生突起和裂纹；用新的53u胶带在该疏水层相同的位置进行第二次拉扯实验，疏水材料立即大片脱落，脱落处周围也产生突起、裂纹，证明结合很弱。
这说明涂覆的疏水颗粒表面的烷基并没有与胶水层外表面形成理想的结合力效果。
对比实施例3
步骤(2)的疏水材料采用短链硅烷偶联剂进行改性，其余操作均同实施例1：
(1)具体操作同实施例1；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水涂覆(胶水组分、含量同实施例1，即配即用)，涂覆厚度为10μm，涂覆后立即于70℃下烘焙2.5分钟，烘焙后立即在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料(本例的疏水涂料中采用等摩尔的丁基三甲氧基硅烷代替实施例1中的十八烷基三甲氧基硅烷，其余组分、含量同实施例1)并于95℃下烘干，控制所得的疏水层最终厚度为3μm。
使用53u胶带对本对比实施例的疏水层粘结牢固之后拉去胶带，疏水层表面产生一定的突起；用新的53u胶带在该疏水层相同的位置进行第二次拉扯实验，突起程度明显增大并伴随裂纹的出现；用新的53u胶带在该疏水层相同的位置进行第三次拉扯实验，疏水材料大片脱落，脱落处周围也产生明显的突起、裂纹。
这说明了疏水颗粒表面的短链烷基并无法与胶水层上方的碳氢液体石油树脂长链发生很好的缠结作用，导致结合力不理想。
对比实施例4
步骤(2)中，待胶水层完全固化后再涂覆疏水涂料，其余操作均同实施例1：
(1)具体操作同实施例1；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水涂覆(胶水组分、含量同实施例1，即配即用)，涂覆厚度为10μm，涂覆后立即于70℃下至胶水层完全固化后，在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料(疏水涂料组分、含量同实施例1)并于95℃下烘干，控制所得的疏水层最终厚度为3μm。
使用53u胶带对本对比实施例的疏水层粘结牢固之后拉去胶带，仅一次拉扯实验，相应位置的疏水材料就大片脱落，脱落处周围也产生明显的突起、裂纹。
这说明待胶水层完全固化后，再涂覆上去的疏水颗粒表面的烷基已无法渗入胶水层中与碳氢液体石油树脂长链发生作用。
对比实施例5
步骤(2)中，将胶水与疏水涂料混合后同时在铝合金表面进行涂覆：
(1)具体操作同实施例1；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水(胶水组分、含量同实施例1)和疏水材料的混合物的涂覆，涂覆后立即于70℃下烘焙2.5分钟，并于95℃下烘干，
其中，疏水材料为：首先按照实施例1中的工艺制备出疏水涂料，再根据实施例1中疏水涂料于胶水层上的总涂覆量量取该涂料并过滤、烘干得到十八烷基三甲氧基硅烷改性后的二氧化钛；
将这部分改性后的二氧化钛于胶水制备过程中一并加入混合均匀，记得到胶水和疏水材料的混合物。
经检测，本对比实施例疏水层表面的接触角在105°～110°，这是因为有限量的疏水颗粒与胶水充分混合后，相当一部分疏水颗粒固化后留在了涂层内部，无法发挥其表面疏水的作用；而通过本发明的工艺，能够使几乎全部的疏水颗粒同时发挥效果，大大减少了疏水改性材料的使用量。
对比实施例6
减少步骤(2)的胶水中含有羟基的聚合单体的比例(少的部分用丙烯酸丁酯替代)，其余操作均同实施例1：
(1)具体操作同实施例1；
(2)对经过步骤(1)处理的铝合金表面进行胶水涂覆，涂覆厚度为10μm，涂覆后立即于70℃下烘焙2.5分钟，烘焙后立即在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料(疏水涂料组分、含量同实施例1)并于95℃下烘干，控制所得的疏水层最终厚度为3μm，
其中，胶水中各组分按重量份数计算如下：
丙烯酸丁酯13份、丙烯酸2份、丙烯酸异辛酯50份、上海欧盛化工有限公司生产的MP200碳氢液体石油树脂16份、丙烯酸羟乙酯2份、乙酸乙酯25份、甲苯20份、偶氮二异丁氰0.7份(为了避免胶水在存储时的无效聚合以及为了严格控制胶水涂覆于铝合金基材表面后的固化进程，本发明中胶水为即配即用)。
使用53u胶带对本对比实施例的疏水层粘结牢固之后拉去胶带，疏水层表面产生一定的突起；用新的53u胶带在该疏水层相同的位置进行同样的实验检测操作，且每次都更换新的53u胶带。随着实验的进行，疏水层表面的突起和裂纹趋于明显，循环到4次后，疏水涂层产生脱落。
这说明：由于含有羟基的聚合单体大量减少，导致了相当一部分碳氢液体石油树脂上的羟基也参与了与铝合金基底的结合，这使得该部分非反应性的碳氢液体石油树脂仅停留在了铝合金基底上，而无法迁移至胶水层外表面附近从而与后涂覆的疏水颗粒表面的烷基形成缠结；可见，胶水层外表面附近区域的碳氢液体石油树脂含量的减少，是导致对疏水层结合力下降的重要原因。

Claims (6)

1.一种于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法，其特征在于：所述的方法为，
（1）铝合金表面预处理；
（2）对经过步骤（1）处理的铝合金表面进行胶水涂覆并低温短时烘焙后，立即在胶水涂层的表面涂覆疏水涂料，最后彻底烘干得到疏水涂层；
所述胶水中各组分按重量份数计算为，
丙烯酸丁酯6～10份、丙烯酸4～9份、丙烯酸异辛酯45～55份、碳氢液体石油树脂12～20份、丙烯酸羟乙酯3～5份、乙酸乙酯25～40份、甲苯15～30份、引发剂0.5～2.5份；
其中，胶水涂覆的厚度为10μm，涂覆后的烘干温度为65～80℃，烘干时间为2～3分钟；
所述疏水涂料按如下工艺配制：
将二氧化钛粉末或碳纳米管与无水乙醇超声混合配制成悬浮液，向该悬浮液中加入长链硅烷偶联剂并超声混合均匀，得到疏水涂料。
2.如权利要求1所述的于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中的预处理操作为，对铝合金表面进行去油污处理，用弱碱或弱酸溶液清洗后，再使用清水或乙醇洗净并烘干。
3.如权利要求1所述的于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法，其特征在于：二氧化钛粉末或碳纳米管与无水乙醇的质量比为1～2.5：100，加入的长链硅烷偶联剂与悬浮液的体积比为2～4：100。
4.如权利要求1所述的于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法，其特征在于：所述的长链硅烷偶联剂为十八烷基三甲氧基硅烷。
5.如权利要求1所述的于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法，其特征在于：步骤（2）中，胶水、疏水涂料分别采用浸涂、涂刷或辊涂的方式进行涂覆。
6.如权利要求1所述的于铝合金基材表面制备疏水涂层的方法，其特征在于：步骤（2）中，涂覆后的烘干温度为95℃，烘干时间为2分钟，或于常温下自然干燥20分钟。
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