CN106567116B - 一种耐热保湿铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种耐热保湿铝合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐热保湿铝合金及其制备方法和应用；属于铝合金复合结构材料开发技术领域。所述耐热保湿铝合金由铝合金基体和附着在铝合金基体上的多孔陶瓷层组成；所述耐热保湿铝合金性能参数为：导热系数150‑240W/m.K；所述多孔陶瓷层的厚度大于等于8μm；所述多孔陶瓷层中，孔隙的平均直径小于等于6μm且所述多孔陶瓷层的表层孔隙所占面积大于等于多孔陶瓷层的表层总面积的8％。本发明所设计的耐热保湿铝合金可用于直发器、熨斗。当所设计的材料用作直发器处理头发时，可将含水率为6.4％的头发增湿保湿至含水量12％以上，并维持4小时以上。本发明工艺简单环保，可推广性强，可以广泛推广应用于需要耐热保湿的制品中。

Description

一种耐热保湿铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种耐热保湿铝合金及其制备方法和应用；属于铝合金复合结构材料开发技术领域。
技术背景
在一定温度环境下，工具的耐热保湿功能很少被人提及，但耐热保湿功能却具有很强的应用意义。例如，普通的直发器通过200摄氏度左右的金属板或陶瓷板对头发进行定形，这种方法易将头发中的水分压榨，使头发干枯失去弹性，严重的还将导致脱发(王芳等.直发器极伤头发最多半年用一次.女人健康,2010,(9):95)。为了提升直发器的耐热保温功能，叶锦洪等人公开了喷雾直发器的发明，其通过喷雾装置雾化液体对头发进行加湿保湿，最终实现发热体加热头发同时加湿头发的功能(中国专利CN204670562U,CN 205597399U)。
此外，服装熨烫设备也亟需同时具有耐热保湿功能的材料。服装熨烫实际上就是对纺织材料进行湿热定型，其温度和湿度是熨烫不可或缺的二大条件(冷绍玉.服装熨烫时如何选择设备.中国制衣,2009,9(9):48-56)。而现有蒸汽熨斗却是通过加热净水产生过热蒸汽进行服装熨烫的。为简化操作流程，直接采用备有耐热保湿底板的加热熨斗对湿衣服进行熨烫，同样可以得到良好的熨烫效果，但目前带有这种设想的产品尚未在市场中出现。因此，耐热保湿材料有良好的市场前景。
发明内容
基于以上背景技术及存在的技术问题，本发明提出了一种耐热保湿铝合金及其制备方法和应用。
本发明一种耐热保湿铝合金，由铝合金基体和附着在铝合金基体上的多孔陶瓷层组成；所述耐热保湿铝合金性能参数为：
导热系数150-240W/m.K；
所述多孔陶瓷层的厚度大于等于8μm。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述多孔陶瓷层中，孔隙的平均直径小于等于6μm。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述多孔陶瓷层的表层孔隙所占面积大于等于多孔陶瓷层的表层总面积的8％。本发明中，表层孔隙所占面积指的是孔隙在多孔陶瓷层表面的开口所占面积。多孔陶瓷层的表层总面积是指多孔陶瓷层的表层所占面积，其包括表层孔隙所占面积。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述耐热保湿铝合金的表面硬度500-700HV、其耐中性盐雾腐蚀的时间大于等于180小时。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述耐热保湿铝合金加热至250℃，其的多孔陶瓷层的多孔结构不发生改变。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述多孔陶瓷层的厚度为10-300μm、进一步优选15-200μm。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述多孔陶瓷层是通过原位生长得到的。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述多孔陶瓷层中含有Al2O3。所述多孔陶瓷层还包含不局限于Al2O3的其它金属氧化物。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述铝合金基体为6系铝合金。
本发明一种耐热保湿铝合金，所述6系铝合金中含有Mg、Si。
作为优选，所述6系铝合金中稀土元素的质量百分含量小于等于1.0％。
作为优选，所述6系铝合金中稀土元素的质量百分含量小于等于0.5％。优选铝合金基体的组成，是为了使得基体具有强度更高、变形能力更强等突出的综合性能。
本发明一种耐热保湿铝合金的制备方法，包括下述步骤:
以清洁干燥的铝合金作为阳极，以惰性电极作为阴极，将所述阳极、阴极置于盛有电解液的电解槽内，进行电解，得到所述耐热保湿铝合金；所述电解液以质量百分比计包括下述组分：
硅酸钠 7-15％；
六偏磷酸钠 20-35％；
着色辅剂 0-20％；
添加剂 0-9％；
余量为水；
所述着色辅剂选自偏钒酸铵、钨酸钠、稀土盐中的至少一种；所述添加剂选自草酸钛钾、乙二胺四乙酸钠、丙三醇中的至少一种；
所述电解液pH值为8-10；
电解时，进行空气搅拌，同时控制电解液温度为20-50℃、优选为28-40℃；控制电流密度为3-8A/dm2、频率为800-1200Hz、占空比为8-12％；
所述电解的时间大于等于10min。
作为优选：所述电解液以质量百分比计包括下述组分：
硅酸钠 15％；
六偏磷酸钠 20％；
着色辅剂 10％；
添加剂 9％；
余量为水；
所述着色辅剂由偏钒酸铵、钨酸钠、稀土盐按质量比1:1:1组成；所述添加剂由草酸钛钾、乙二胺四乙酸钠、丙三醇按质量比1:1:1组成。
作为另一优选方案；所述电解液以质量百分比计包括下述组分：
硅酸钠 7％；
六偏磷酸钠 35％；
余量为水。
作为另一优选方案；所述电解液以质量百分比计包括下述组分：
硅酸钠 10％；
六偏磷酸钠 28％；
着色辅剂 12％；
添加剂 6％；
余量为水
所述着色辅剂由偏钒酸铵、钨酸钠按质量比1:1组成；所述添加剂为丙三醇。
本发明一种耐热保湿铝合金的制备方法，所述耐热保湿铝合金在A℃进行稳定化热处理；所述A的取值小于250。
本发明一种耐热保湿铝合金的制备方法，所述铝合金是通过常规熔炼的方法制坯并均匀化热处理后，通过压力加工的方法制得板材、型材或成型后的器件。对其进行清洗、干燥后得到清洁干燥的铝合金。
本发明一种耐热保湿铝合金的应用，包括将其用于直发器、熨斗。
本发明一种耐热保湿铝合金的应用，当耐热保湿铝合金用作直发器时，用所述直发器处理头发，可将头发的含水率保持在12wt％以上，并维持4小时以上。
本发明在无意中发现了当导热系数和表面空隙匹配时，所得材料具有优异的保湿性能。基于此，展开了本发明的进一步的研究。
本发明公开的这种铝合金表面多孔结构，充分利用了铝合金基体的优良特性，如良好的可加工性、一定的强度和耐腐蚀性满足器件的结构性要求，以及良好的导热性以便热量快速传导至头发或衣服面料得等被处理的物件上；并结合了电化学腐蚀方法方便快捷地在铝合金表面原位生长多孔氧化物陶瓷层，使得器件表面硬度高且耐磨，氧化层均匀致密且高温耐蚀性好；在直发或熨烫湿物件时，加热器加热物件并使得物件表面的水分蒸发，而蒸发出来的水份，却恰好被多孔陶瓷层吸附，同时材料的导热系数为150-240W/m.K，可快速将发热体的热量传至陶瓷层表面，这样就迫使吸附的水份部分脱离微孔，从而形成了以为水份的动态平衡，也就维持着良好的湿润条件，从而实现将水分及时反馈给被处理的物件，起到强的保湿作用。
这种耐热保湿的铝合金表面多孔结构所选的基体材料为铝合金，如需满足一定的结构性要求，可选用6系铝合金。在铝合金中加入一定量含钪在内的稀土元素，易与合金中的Al形成弥散细小的Al3RE粒子，可以显著地细化晶粒，并提高合金的强度和韧性；在电化学腐蚀过程中，易在氧化层上沉积稀土转化膜，并增加微孔的形成，且提升了材料的耐腐蚀性能。
铝合金低密度、高比强度、加工成型和导热性好等优点，应用十分广泛，但其硬度偏低，耐磨性差，应用受到限制。而本发明采用电化学腐蚀方法可在铝合金表面原位生长得到多孔氧化物陶瓷层，以改善和提高铝合金表面的防护性、装饰性和功能性等方面的功能，大大提升了铝合金的潜力。这种结构具有导热性好、表面硬度高耐磨性好、较高温度下耐蚀性好和耐热保湿性好等的优点，在很多领域均可推广和应用。
同时，这种特殊的电化学氧化方法可以在铝合金表面产生大量微孔。氧化过程中，发生了微区的弧光放电，微区放电可释放的巨大能量使Al原子瞬间在放电通道中发生熔融和热扩散，与表层的氧原子结合并“液淬”作用下生成Al2O3并沉积在膜层中。孔洞是电解液与基体间的反应通道，也是反应过程中瞬间熔融物的喷射通道。产生如此形态结构主要是微弧放电等离子体作用的结果，击穿总是瞬间完成，且优先击穿薄弱的地方并产生孔洞，随后可被熔融物冷却覆盖。这种不断击穿与填充，最终形成具有一定膜层厚度且含有一定数量微孔的表层多孔结构。通过调节电化学表面陶瓷化的方法的电解液配方和电参数，最终可形成物相的主要组成为Al2O3、微孔孔径不大于6μm且所占面积不小于总面积的8％、陶瓷层的厚度不低于8μm的表层多孔结构。
这种表面多孔结构，热量使得粘附在内孔及表面多孔层的水分蒸发，微孔吸附和储藏大量水蒸气，水气充实内孔并维持良好的湿润条件，孔腔及周边湿润环境自形成小气的内循环条件，及时将水分反馈到被处理的物件，起到强的保湿作用。
结果证实，将含水率为6.4％的干头发，清洗后采用这种具有耐热保湿的铝合金表面多孔结构的直发器处理，头发拉直时，其含水率为12％以上，且增湿保湿至含水量12％的维持时间大于等于4小时。
本发明的优点在于：
1)具有耐热保湿的铝合金表面多孔结构可满足导热性好、表面硬度高耐磨性好、较高温度下耐蚀性好和耐热保湿性好等要求，可大大简化需耐热保湿器件的结构性；
2)多孔结构的制备工艺简便环保，易加工，多孔结构性能稳定，制造成本低，可推广性强；
3)具有耐热保湿的铝合金表面多孔结构适用性强，不需后续处理即可直接应用至耐耐热保温的器件上，应用前景广阔。
4)该材料用作直发器时，其工作面如果在头发加热过程中同时具有强的耐热保湿功能并能直接对头发增湿保湿。这就大大简化甚至省去直发器的喷雾装置的设计，并可得到良好的用户体验。
附图说明
附图1为实施例1所得2#工件的形貌图；
从图1中可见多孔结构表面存在大量微孔，孔径不大于6μm，表层微孔所占面积约为总面积的14.5％。
具体实施方式
实施例1
实施例1中所用电解液以质量百分比计包括下述组分：
硅酸钠 15％；
六偏磷酸钠 20％；
着色辅剂 10％；
添加剂 9％；
所述着色辅剂：偏钒酸铵、钨酸钠、稀土盐各一占1/3；所述添加剂为草酸钛钾、乙二胺四乙酸钠、丙三醇各一占1/3；
所述电解液pH值为8-10；
1#工件所用的合金为6063铝合金，2#工件所用的合金在6063铝合金中添加0.5w.t.％的稀土元素(其中钪的含量为0.2w.t.％)。采用常规熔炼的方法制坯并均匀化热处理后，通过热轧制、冷轧并深冲的方法制得1mm厚的直发器件；制成的直发器工件采用如下电化学表面陶瓷化方法：工件经去油、烘干，然后置于电解槽阳极，工作与阳极之间需紧密接触，导电性好；电解液选用硅酸钠、磷酸钠和着色辅剂为主溶液体系，加入合适的添加剂，用蒸馏水配制电解液，配制的电解液pH值为9，电解液温度为28摄氏度，空气搅拌；恒流脉冲的电源模式，电流密度3A/dm2，频率1100Hz，占空比8％；电化学处理时间为15min。工件最终稳定化热处理，热处理温度为200摄氏度，时间为2小时。
实施例2
硅酸钠 7％；
六偏磷酸钠 35％；
着色辅剂 0％；
添加剂 0％；
余量为水；
所述电解液pH值为8-10；
3#工件所用的合金为3003铝合金，4#工件所用的合金在3003铝合金中添加0.2w.t.％的稀土元素(其中钪的含量为0.2w.t.％)。采用常规熔炼的方法制坯并均匀化热处理后，通过热轧制、冷轧并深冲的方法制得1mm厚的直发器件；制成的直发器工件采用如下电化学表面陶瓷化方法：工件经去油、烘干，然后置于电解槽阳极，工作与阳极之间需紧密接触，导电性好；电解液选用硅酸钠、磷酸钠和着色辅剂为主溶液体系，加入合适的添加剂，用蒸馏水配制电解液，配制的电解液pH值为8，电解液温度为40摄氏度，空气搅拌；恒流脉冲的电源模式，电流密度6A/dm2，频率900Hz，占空比12％；电化学处理时间为10min。工件最终稳定化热处理，热处理温度为250摄氏度，时间为0.5小时。
实施例3
实施例3中所用电解液以质量百分比计包括下述组分：
硅酸钠 10％；
六偏磷酸钠 28％；
着色辅剂 12％；
添加剂 6％；
所述着色辅剂：偏钒酸铵、钨酸钠各一占1/2；所述添加剂为丙三醇；
所述电解液pH值为8-10；
5#工件所用的合金为1100铝合金。采用常规熔炼的方法制坯并均匀化热处理后，通过热轧制、冷轧并深冲的方法制得1mm厚的直发器件；制成的直发器工件采用如下电化学表面陶瓷化方法：工件经去油、烘干，然后置于电解槽阳极，工作与阳极之间需紧密接触，导电性好；电解液选用硅酸钠、磷酸钠和着色辅剂为主溶液体系，加入合适的添加剂，用蒸馏水配制电解液，配制的电解液pH值为11，电解液温度为60摄氏度，空气搅拌；恒流脉冲的电源模式，电流密度7A/dm2，频率1250Hz，占空比7.5％；电化学处理时间为9min。工件最终稳定化热处理，热处理温度为260摄氏度，时间为0.5小时。
1-5号工件最终的性能检测结果如表1所示。其中，显微硬度采用HMV-2T型显微硬度计测量，载荷50g，保压时间10s，不同位置测量5个点并取平均值；膜层厚度通过膜层截面的扫描照片测得；耐腐蚀性通过工作经过150小时的中性盐雾试验的表面状态得出结果，表面无腐蚀点则耐腐蚀性好，表面少量腐蚀点则耐腐蚀性一般；含水率通过1-5号工件得到的直发器处理头发，采取相关处理后的头发5g样品测得，其中未处理的头发含水量为6.4％，经拉直处理后的头发含水率记为C0，经拉直处理并在空气中停留4小时后的头发含水率记为C4。
表1 1-5号工件的性能检测结果

Claims (4)

1.一种耐热保湿铝合金的应用，其特征在于：
所述耐热保湿铝合金的应用，为将其用于直发器、熨斗；
所述耐热保湿铝合金由铝合金基体和附着在铝合金基体上的多孔陶瓷层组成；所述耐热保湿铝合金性能参数为：
导热系数150-240 W/m.K；
所述多孔陶瓷层中，孔隙的平均直径小于等于6μm且所述多孔陶瓷层的表层孔隙所占面积大于等于多孔陶瓷层的表层总面积的8%；
所述耐热保湿铝合金的表面硬度500-700 HV，所述耐热保湿铝合金的耐中性盐雾腐蚀的时间大于等于180小时；
所述耐热保湿铝合金加热至250℃，其多孔陶瓷层的多孔结构不发生改变；
所述多孔陶瓷层的厚度为10-300μm；
所述多孔陶瓷层是通过原位生长得到的；
所述多孔陶瓷层中含有Al2O3；
所述耐热保湿铝合金的制备方法为：
以清洁干燥的铝合金作为阳极，以惰性电极作为阴极，将所述阳极、阴极置于盛有电解液的电解槽内，进行电解，得到所述耐热保湿铝合金；所述电解液以质量百分比计包括下述组分：
硅酸钠 7-15 %；
六偏磷酸钠 20-35 %；
着色辅剂 0-20 %；
添加剂 0-9 %；
余量为水；
所述着色辅剂选自偏钒酸铵、钨酸钠、稀土盐中的至少一种；所述添加剂选自草酸钛钾、乙二胺四乙酸钠、丙三醇中的至少一种；
所述电解液pH值为8-10；
电解时，进行空气搅拌，同时控制电解液温度为20-50℃；控制电流密度为3-8 A/dm2、频率为800-1200 Hz、占空比为8-12%；
所述电解的时间大于等于10min。
2.根据权利要求1所述的一种耐热保湿铝合金的应用，其特征在于：当耐热保湿铝合金用作直发器时，用所述直发器处理头发，可将头发的含水率保持在12wt%以上，并维持4小时以上。
3.根据权利要求1所述的一种耐热保湿铝合金的应用，其特征在于：所述铝合金基体为6系铝合金；所述6系铝合金中稀土元素的质量百分含量小于等于1.0 %。
4.根据权利要求1所述的一种耐热保湿铝合金的应用，其特征在于：所述耐热保湿铝合金在A℃进行稳定化热处理；所述A的取值小于250。
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