CN113667966A - 一种在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，包括下列步骤：步骤1.将2024型铝合金工件的表面以砂纸进行打磨处理，去除表面氧化物膜层；冲洗干净；步骤2.将2024型铝合金工件浸入Na2CO3溶液中，进行化学刻蚀处理；冲洗干净；步骤3.将2024型铝合金工件浸入以乙醇和低表面能物质配制而成的乙醇溶液中，进行表面修饰处理；冲洗干净；干燥处理，获得表面具有超疏水改性层的2024型铝合金工件。本发明有效抑制了2024型铝合金中的金属间化合物CuAl3、Cu2Al8等在碱性溶液中被氧气分子氧化腐蚀，确保金属间化合物能够可靠地保留在2024型铝合金表层中，在2024型铝合金表面制得的超疏水改性层中含有大量的金属间化合物，抗磨损性能高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理技术，具体是一种在2024型铝合金工件的表面构建超疏水改性层的方法。
背景技术
2024型铝合金属于Al-Cu-Mg系铝合金材料，是一种高强度硬铝，具有良好的加工性能，被广泛应用于各种高负荷的零件（构件），例如用作成型飞机上的骨架零件、蒙皮、翼梁、铆钉等。但是，2024型铝合金表面的抗腐蚀性能不高，这在很大程度上限制了2024型铝合金的产业扩展应用。为了改善并提高2024型铝合金表面的抗腐蚀性能，业内通常做法是在2024型铝合金表面构建出超疏水改性层，通过构建出的超疏水改性层不仅可以提高2024型铝合金表面的抗腐蚀性能，而且还可以提高2024型铝合金表面的抗污染性能及防结冰性能，有利于扩大2024型铝合金的产业扩展应用范围。
目前，在2024型铝合金表面构建超疏水改性层，通常是以NaOH溶液化学刻蚀与硬脂酸/月桂酸等化学修饰相结合的技术措施实现的。然而，2024型铝合金中的铜含量相对较高，以NaOH溶液化学刻蚀2024型铝合金时会存在以下技术问题：2024型铝合金中的铜元素在NaOH溶液中容易与NaOH溶液中的氧气发生反应，即CuAl3+O2+NaOH+H2O→Na2CuO2+Al(OH)3。如此，2024型铝合金表层中的CuAl3、Cu2Al8等金属间化合物容易被完全刻蚀掉，从而导致在2024型铝合金表面所构建的超疏水改性层中的金属间化合物含量极低，超疏水改性层的硬度偏低，抗磨损性能差，使用寿命短。
发明内容
本发明的技术目的在于：针对上述2024型铝合金特殊性及现有技术的不足，提供一种能够在2024型铝合金表面构建出抗磨损性能好、使用寿命长的超疏水改性层的方法。
本发明的技术目的通过下述技术方案实现，一种在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，所述方法包括下列工艺步骤：
步骤1. 将2024型铝合金工件的表面以砂纸进行打磨处理，去除表面氧化物膜层；
冲洗干净；
步骤2. 将2024型铝合金工件浸入Na2CO3溶液中，进行化学刻蚀处理；
冲洗干净；
步骤3. 将2024型铝合金工件浸入以乙醇和低表面能物质配制而成的乙醇溶液中，进行表面修饰处理；
冲洗干净；
干燥处理，获得表面具有超疏水改性层的2024型铝合金工件。
作为优选方案之一，步骤1中所述打磨处理分为如下两步工艺步骤：
第①步骤. 采用800#砂纸对2024型铝合金工件的表面进行打磨处理；
第②步骤. 采用1200#砂纸对步骤①的2024型铝合金工件的表面进行打磨处理。
作为优选方案之一，步骤2中所述Na2CO3溶液的质量百分比浓度为5.0～30.0%。进一步的，步骤2中所述Na2CO3溶液的质量百分比浓度为15.0%。
作为优选方案之一，步骤2中所述化学刻蚀处理为室温环境下浸泡处理240～360min。
作为优选方案之一，步骤3中所述乙醇溶液的组成原料按如下质量百分比含量计算：
乙醇 95.0～99.0%、
低表面能物质 1.0～5.0%。
作为优选方案之一，所述乙醇溶液中的低表面能物质为硬脂酸、全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷或月桂酸。
作为优选方案之一，步骤3中所述表面修饰处理为室温环境下浸泡处理240～360min。
作为优选方案之一，所述2024型铝合金工件中的铜含量为3.8～4.9%。
本发明的有益技术效果是：上述技术措施以单一的Na2CO3溶液作为2024型铝合金工件化学刻蚀处理的刻蚀溶液，其不仅工艺成本低，而且利用Na2CO3溶液中所含的Na+、CO3 2-、OH-、HCO3 -、H+，将浸泡其中的2024型铝合金工件的Al元素刻蚀生成Al(OH)3，靠近2024型铝合金工件表面的OH-消耗量大，OH-相对浓度低，H+浓度相对较高，2个H+与1个CO3 2-结合，在2024型工件表面生成CO2气体，从而有效抑制2024型铝合金中的金属间化合物CuAl3、Cu2Al8等在碱性溶液中被氧气分子氧化腐蚀，确保金属间化合物能够可靠地保留在2024型铝合金表层，在2024型铝合金表面制得的超疏水改性层中含有大量的金属间化合物，超疏水改性层的硬度高，抗磨损性能被显著提高，能够大幅度的提高2024型铝合金表面所构建的超疏水改性层的使用寿命，有利于扩大2024型铝合金的产业扩展应用范围。此外，上述技术措施通过对2024型铝合金中的金属间化合物CuAl3、Cu2Al8等在碱性溶液中被氧气分子氧化腐蚀的有效抑制，有效避免了大量含铜化合物落入刻蚀溶液中而带来的回收技术难题，经济、环保。
附图说明
图1为2024型铝合金工件经本发明化学刻蚀处理之后的表面结构示意图。
图2为2024型铝合金工件经本发明超疏水改性处理之后的SEM图。
图3为本发明的实施例1获得的2024型铝合金工件的表面水滴图。
图4为本发明的实施例1获得的2024型铝合金工件的静态接触角图。
具体实施方式
本发明涉及金属材料表面处理技术，具体是一种在铜含量约为3.8～4.9%的2024型铝合金工件的表面构建超疏水改性层的方法，下面以多个实施例对本发明的主体技术内容进行详细说明。
实施例1
本发明在2024型铝合金工件的表面构建超疏水改性层的方法，包括下列工艺步骤：
步骤1. 将工件的表面以砂纸按如下两步工艺进行打磨处理：
第①步骤. 采用800#砂纸对工件的表面进行打磨处理；
第②步骤. 采用1200#砂纸对步骤①的工件的表面进行打磨处理；
通过两次打磨处理，去除工件表面的氧化物膜层；
接着将工件的表面采用去离子水冲洗干净；
步骤2. 将步骤1所得工件浸入Na2CO3溶液中进行化学刻蚀处理，该Na2CO3溶液的质量百分比浓度约为15.0%；
化学刻蚀处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约300min；
将工件从Na2CO3溶液中取出，采用去离子水将工件冲洗干净（获得的工件表层结构如图1所示）；
步骤3. 将步骤2所得工件浸入乙醇溶液中进行表面修饰处理；
该乙醇溶液的组成原料按如下质量百分比含量计算：乙醇95.0%、全氟辛基三氯硅烷5.0%。
表面修饰处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约300min；
将工件从乙醇溶液中取出，采用无水乙醇将工件冲洗干净；
将冲洗干净的工件放入干燥箱内，以约80℃的环境温度干燥处理约20min，获得表面具有超疏水改性层（如图2所示）的2024型铝合金工件。
参见图3所示，2024型铝合金工件表面的水滴为球状水滴。
参见图4所示，采用接触角测量仪，对上述表面构建有超疏水改性层的2024型铝合金工件表面进行静态接触角测试，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为162°，表明工件表面经过超疏水改性之后，其超疏水性能优良。
采用线性耐磨实验测量工件的机械稳定性能，首先在2cm×2cm的超疏水表面施加3.0kPa的压力，并将工件以5cm/s的速度在800#砂纸上滑动100cm，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为158°，表明工件表面的超疏水改性层具有较好的耐磨损性能。
采用3.5%NaCl水溶液测试工件的化学稳定性，将工件放置在含量为3.5%的NaCl水溶液中，静置7天，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为153°，表明工件表面的超疏水改性层具有优良的化学稳定性。
实施例2
本发明在2024型铝合金工件的表面构建超疏水改性层的方法，包括下列工艺步骤：
步骤1. 将工件的表面以砂纸按如下两步工艺进行打磨处理：
第①步骤. 采用800#砂纸对工件的表面进行打磨处理；
第②步骤. 采用1200#砂纸对步骤①的工件的表面进行打磨处理；
通过两次打磨处理，去除工件表面的氧化物膜层；
接着将工件的表面采用去离子水冲洗干净；
步骤2. 将步骤1所得工件浸入Na2CO3溶液中进行化学刻蚀处理，该Na2CO3溶液的质量百分比浓度约为10.0%；
化学刻蚀处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约360min；
将工件从Na2CO3溶液中取出，采用去离子水将工件冲洗干净；
步骤3. 将步骤2所得工件浸入乙醇溶液中进行表面修饰处理；
该乙醇溶液的组成原料按如下质量百分比含量计算：乙醇98.0%、硬脂酸2.0%。
表面修饰处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约360min；
将工件从乙醇溶液中取出，采用无水乙醇将工件冲洗干净；
将冲洗干净的工件放入干燥箱内，以约80℃的环境温度干燥处理约20min，获得表面具有超疏水改性层的2024型铝合金工件。
采用接触角测量仪，对上述表面构建有超疏水改性层的2024型铝合金工件表面进行静态接触角测试，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为163°，表明工件表面经过超疏水改性之后，其超疏水性能优良。
采用线性耐磨实验测量工件的机械稳定性能，首先在2cm×2cm的超疏水表面施加3.0kPa的压力，并将工件以5cm/s的速度在800#砂纸上滑动100cm，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为157°，表明工件表面的超疏水改性层具有较好的耐磨损性能。
采用3.5%NaCl水溶液测试工件的化学稳定性，将工件放置在含量为3.5%的NaCl水溶液中，静置7天，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为156°，表明工件表面的超疏水改性层具有优良的化学稳定性。
实施例3
本发明在2024型铝合金工件的表面构建超疏水改性层的方法，包括下列工艺步骤：
步骤1. 将工件的表面以砂纸按如下两步工艺进行打磨处理：
第①步骤. 采用800#砂纸对工件的表面进行打磨处理；
第②步骤. 采用1200#砂纸对步骤①的工件的表面进行打磨处理；
通过两次打磨处理，去除工件表面的氧化物膜层；
接着将工件表面采用去离子水冲洗干净；
步骤2. 将步骤1所得工件浸入Na2CO3溶液中进行化学刻蚀处理，该Na2CO3溶液的质量百分比浓度约为20.0%；
化学刻蚀处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约270min；
将工件从Na2CO3溶液中取出，采用去离子水将工件冲洗干净；
步骤3. 将步骤2所得工件浸入乙醇溶液中进行表面修饰处理；
该乙醇溶液的组成原料按如下质量百分比含量计算：乙醇99.0%、月桂酸1.0%。
表面修饰处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约360min；
将工件从乙醇溶液中取出，采用无水乙醇将工件冲洗干净；
将冲洗干净的工件放入干燥箱内，以约80℃的环境温度干燥处理约20min，获得表面具有超疏水改性层的2024型铝合金工件。
采用接触角测量仪，对上述表面构建有超疏水改性层的2024型铝合金工件表面进行静态接触角测试，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为159°，表明工件表面经过超疏水改性之后，其超疏水性能优良。
采用线性耐磨实验测量工件的机械稳定性能，首先在2cm×2cm的超疏水表面施加3.0kPa的压力，并将工件以5cm/s的速度在800#砂纸上滑动100cm，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为155°，表明工件表面的超疏水改性层具有较好的耐磨损性能。
采用3.5%NaCl水溶液测试工件的化学稳定性，将工件放置在含量为3.5%的NaCl水溶液中，静置7天，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为155°，表明工件表面的超疏水改性层具有优良的化学稳定性。
实施例4
本发明在2024型铝合金工件的表面构建超疏水改性层的方法，包括下列工艺步骤：
步骤1. 将工件的表面以砂纸按如下两步工艺进行打磨处理：
第①步骤. 采用800#砂纸对工件的表面进行打磨处理；
第②步骤. 采用1200#砂纸对步骤①的工件的表面进行打磨处理；
通过两次打磨处理，去除工件表面的氧化物膜层；
接着将工件表面采用去离子水冲洗干净；
步骤2. 将步骤1所得工件浸入Na2CO3溶液中进行化学刻蚀处理，该Na2CO3溶液的质量百分比浓度约为27.0%；
化学刻蚀处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约240min；
将工件从Na2CO3溶液中取出，采用去离子水将工件冲洗干净；
步骤3. 将步骤2所得工件浸入乙醇溶液中进行表面修饰处理；
该乙醇溶液的组成原料按如下质量百分比含量计算：乙醇97.0%、全氟辛基三甲氧基硅烷3.0%。
表面修饰处理的工艺条件是，保持室温环境（即在25～30℃范围内），浸泡处理约360min；
将工件从乙醇溶液中取出，采用无水乙醇将工件冲洗干净；
将冲洗干净的工件放入干燥箱内，以约80℃的环境温度干燥处理约20min，获得表面具有超疏水改性层的2024型铝合金工件。
采用接触角测量仪，对上述表面构建有超疏水改性层的2024型铝合金工件表面进行静态接触角测试，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为160°，表明工件表面经过超疏水改性之后，其超疏水性能优良。
采用线性耐磨实验测量工件的机械稳定性能，首先在2cm×2cm的超疏水表面施加3.0kPa的压力，并将工件以5cm/s的速度在800#砂纸上滑动100cm，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为156°，表明工件表面的超疏水改性层具有较好的耐磨损性能。
采用3.5%NaCl水溶液测试工件的化学稳定性，将工件放置在含量为3.5%的NaCl水溶液中，静置7天，水滴在工件超疏水改性层上的静态接触角为155°，表明工件表面的超疏水改性层具有优良的化学稳定性。
对比例
首先，将2024型铝合金样品采用800#和1200#砂纸依次进行表面打磨处理；将其用去离子水冲洗干净；
随后，将样品放置在质量百分比浓度约1.0%的NaOH溶液中；在室温（即在25～30℃范围内）环境下浸泡刻蚀约120min；
然后，将样品放置在质量百分比浓度约为4.0%的盐酸溶液中浸泡处理10s，将样品表面残留的棕褐色Na2CuO2溶解；
采用去离子水冲洗干净；
直接放入含有全氟辛基三氯硅烷的乙醇溶液中，在室温（即在25～30℃范围内）环境下浸泡约300min，该乙醇溶液中的全氟辛基三氯硅烷质量百分比浓度约为5.0%；
取出后用无水乙醇清洗；
最后在约80℃干燥箱中干燥处理约20min，在样品表面获得超疏水改性层。
采用接触角测量仪，对样品表面进行静态接触角的测试，水滴在样品超疏水改性层上的静态接触角为163°，表明铝铜合金样品表面经过超疏水改性后，其超疏水性能优良。
采用线性耐磨实验测量样品的机械稳定性能，首先在2cm×2cm的超疏水样品表面施加3.0 kPa的压力，并将样品以5cm/s的速度在800#砂纸上滑动100cm，水滴在样品超疏水改性层上的静态接触角为143°，表明样品表面的超疏水改性层的耐磨损性能较差。
采用3.5%NaCl水溶液测试样品的化学稳定性，将样品放置在含量为3.5%的NaCl水溶液中，静置7天，水滴在样品超疏水改性层上的静态接触角为148°，表明样品表面的超疏水改性层的化学稳定性较差。
以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，所述方法包括下列工艺步骤：
步骤1. 将2024型铝合金工件的表面以砂纸进行打磨处理，去除表面氧化物膜层；
冲洗干净；
步骤2. 将2024型铝合金工件浸入Na2CO3溶液中，进行化学刻蚀处理；
冲洗干净；
步骤3. 将2024型铝合金工件浸入以乙醇和低表面能物质配制而成的乙醇溶液中，进行表面修饰处理；
冲洗干净；
干燥处理，获得表面具有超疏水改性层的2024型铝合金工件。
2.根据权利要求1所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，步骤1中所述打磨处理分为如下两步工艺步骤：
第①步骤. 采用800#砂纸对2024型铝合金工件的表面进行打磨处理；
第②步骤. 采用1200#砂纸对步骤①的2024型铝合金工件的表面进行打磨处理。
3.根据权利要求1所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，步骤2中所述Na2CO3溶液的质量百分比浓度为5.0～30.0%。
4.根据权利要求3所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，步骤2中所述Na2CO3溶液的质量百分比浓度为15.0%。
5.根据权利要求1所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，步骤2中所述化学刻蚀处理为室温环境下浸泡处理240～360min。
6.根据权利要求1所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，步骤3中所述乙醇溶液的组成原料按如下质量百分比含量计算：
乙醇 95.0～99.0%、
低表面能物质 1.0～5.0%。
7.根据权利要求1或6所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，所述乙醇溶液中的低表面能物质为硬脂酸、全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷或月桂酸。
8.根据权利要求1所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，步骤3中所述表面修饰处理为室温环境下浸泡处理240～360min。
9.根据权利要求1所述在2024型铝合金表面构建超疏水改性层的方法，其特征在于，所述2024型铝合金工件中的铜含量为3.8～4.9%。
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| US20160153094A1 (en) * | 2014-12-01 | 2016-06-02 | Anish Tuteja | Salt Based Etching of Metals and Alloys for Fabricating Superhydrophobic and Superoleophobic Surfaces |
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