CN116651721B - 高耐磨超疏水金属板材及其制备方法 - Google Patents

高耐磨超疏水金属板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高耐磨超疏水金属板材及其制备方法，属于金属表面超疏水处理技术领域。其技术方案为：包括以下步骤：S1：将液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂加入到有机溶剂中，配制得到混合液A；S2：将混合液A涂敷于金属板材上，经固化、洗涤后再烘干；S3：将液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂加入到有机溶剂中，配制得到混合液B，混合液B中液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂的总质量分数小于混合液A，将混合液B涂敷于金属板材上，经固化、洗涤后再烘干，即得高耐磨超疏水金属板材。本发明制备的金属板材具有高耐磨、自清洁、疏水性好等功能，且制备方法操作简单，对未来超疏水研究具有一定的引领作用。

Description

高耐磨超疏水金属板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面超疏水处理技术领域，具体涉及高耐磨超疏水金属板材及其制备方法。
背景技术
近年来，受天然动植物的启发，越来越多的研究者设计和制备出了大量仿生超疏水表面。超疏水是指水滴接触角>150°，滚动角<10°的湿润状态。超疏水表面应用广泛，其具有耐腐蚀、防冰除冻、油水分离、自清洁性等性能，在很多领域有着较大的应用价值，国内外诸多学者开展了超疏水表面的制备及应用研究。如中国发明专利CN110983397B公开了一种由硬脂酸钠水溶液在铝基体表面制备超疏水膜的方法，该方法步骤为：铝基体经表面打磨清洁处理至表面光滑后，作为阴极，阳极板为钛板，在含有十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠的电解质溶液中，特定温度与时间下进行电沉积，并经烘干后，制得铝基体表面超疏水膜，该专利通过电沉积的方法在铝基体表面上形成超疏水膜。
高效的超疏水表面的制备方法已成为该领域的研究热点和重要发展方向，因此需要对超疏水表面做进一步研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供高耐磨超疏水金属板材及其制备方法，金属板材具有高耐磨、自清洁、疏水性好等功能，且制备方法操作简单，对未来超疏水研究具有一定的引领作用。
本发明的技术方案为：
一方面，本发明提供了高耐磨超疏水金属板材的制备方法，包括以下步骤：
S1：将液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂加入到有机溶剂中，配制得到混合液A；
S2：将混合液A涂敷于金属板材上，经固化、洗涤后再烘干；
S3：将液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂加入到有机溶剂中，配制得到混合液B，混合液B中液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂的总质量分数小于混合液A，将混合液B涂敷于金属板材上，经固化、洗涤后再烘干，即得高耐磨超疏水金属板材。
优选的，步骤S1中，液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂的总质量分数为10-20%；步骤S3中，液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂的总质量分数为5-15%。
优选的，步骤S1、S3中，液态石蜡的重量份数为1-3份，纳米氧化锌的重量份数为1-3份，环氧树脂粘合剂的重量份数为2-4份；步骤S1中，有机溶剂的重量份数为16-72份，步骤S3中，有机溶剂的重量份数为36-152份。
优选的，步骤S2中，涂敷于金属板材之前，先去除金属板材表面的氧化层。一般金属板材的表面有一层氧化皮，如果不去除，就会在涂层与金属板材表面形成隔离层，影响涂层的附着力，造成金属板材的耐磨性下降。因此去除氧化层后再喷涂混合液A，可增加涂层的附着力，从而增加涂层的使用寿命。
优选的，步骤S2、S3中，采用喷涂法将混合液A或混合液B涂敷于金属板材上，混合液A的喷涂厚度为0.2-0.3mm，混合液B的喷涂厚度为0.05-0.1mm。
优选的，步骤S2、S3中，采用烘干方式对金属板材进行固化，烘干温度为50-60℃，烘干时间为2-3h；采用有机溶剂对固化后的金属板材进行洗涤，洗涤时间为1-2h。
优选的，所述有机溶剂为乙酸乙酯，乙酸乙酯具有化学性质稳定、不参与反应、不影响催化剂活性、无腐蚀或者腐蚀性小、贮存稳定性好、毒性小的特点，对液态石蜡和环氧树脂的溶解性好，且不会与其发生反应，对环境危害小。
优选的，所述金属板材为铝板，当然也可以为其他合金板、铁板、铜板等金属板材。
另一方面，本发明还提供了上述制备方法制备得到的高耐磨超疏水金属板材。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明利用液态石蜡和纳米氧化锌双相结构制作形成半互穿网络结构，该结构可以有效加强金属板材本身的结构强度，提高耐磨性能，同时其也可以显著提高金属板材表面的粗糙程度，当金属板材表面的微纳粗糙结构的粗糙程度越高时其疏水效果也会越好。此外，构筑超疏水表面需要强化两个特性，一个是降低表面能，另一个是构筑表面的微纳粗糙结构，通过同时加强这两个方面并发挥协同作用即可显著提高金属板材表面的疏水能力。由于液态石蜡和纳米氧化锌的混合物构筑的表面具有低表面能特性，且形成的半互穿网络结构具有强化作用，通过这两个方面的协同作用可以显著提高金属板材的耐磨性和疏水性，使其兼具超疏水和耐磨以及半透明性，从而使金属板材具有高耐磨、自清洁、疏水性好等功能。同时，本发明的制备方法操作简单，对未来超疏水研究具有一定的引领作用。
附图说明
图1是实施例1制备的铝板的接触角测试图。
图2是实施例1制备的铝板的滚动角测试图。
图3是实施例1制备的铝板经过落砂实验后的接触角测试图。
图4是实施例1制备的铝板经过落砂实验后的滚动角测试图。
图5是实施例2制备的铝板的接触角测试图。
图6是实施例2制备的铝板的滚动角测试图。
图7是实施例2制备的铝板经过落砂实验后的接触角测试图。
图8是实施例2制备的铝板经过落砂实验后的滚动角测试图。
图9是实施例3制备的铝板的接触角测试图。
图10是实施例3制备的铝板的滚动角测试图。
图11是实施例3制备的铝板经过落砂实验后的接触角测试图。
图12是实施例3制备的铝板经过落砂实验后的滚动角测试图。
图13是实施例4制备的铝板的接触角测试图。
图14是实施例4制备的铝板的滚动角测试图。
图15是实施例4制备的铝板经过落砂实验后的接触角测试图。
图16是实施例4制备的铝板经过落砂实验后的滚动角测试图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下实施例中的落砂实验参考标准GB/T 23988-2009进行。
实施例1
本实施例的高耐磨超疏水金属板材的制备方法包括以下步骤：
S1：将3份液态石蜡、1份纳米氧化锌和4份环氧树脂粘合剂加入到72份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液A；
S2：取铝板，去除其氧化铝层后，采用喷涂法，将配制的混合液A喷涂在铝板上，喷涂厚度为0.2mm；随后将其置于烘干箱中于60℃固化2h，再用乙酸乙酯洗涤1.5h，最后于60℃下烘干2.5h；
S3：将3份液态石蜡、1份纳米氧化锌和4份环氧树脂粘合剂加入到152份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液B；将混合液B喷涂于步骤S2得到的铝板上，喷涂厚度为0.05mm，再将其置于烘干箱中于60℃固化2.5h，随后用乙酸乙酯洗涤1.5h，最后于60℃下烘干2.5h。
如图1-2所示，测试本实施例制备的高耐磨超疏水金属板材的接触角为153.23°，滚动角为6.34°；且如图3-4所示，经过5000g落砂实验后，再测量其接触角为150.33°，滚动角为8.66°。
实施例2
本实施例的高耐磨超疏水金属板材的制备方法包括以下步骤：
S1：将2份液态石蜡、1份纳米氧化锌和3份环氧树脂粘合剂加入到34份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液A；
S2：取铝板，去除其氧化铝层后，采用喷涂法，将配制的混合液A喷涂在铝板上，喷涂厚度为0.3mm；随后将其置于烘干箱中于55℃固化2.5h，再用乙酸乙酯洗涤2h，最后于60℃下烘干3h；
S3：将2份液态石蜡、1份纳米氧化锌和3份环氧树脂粘合剂加入到54份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液B；将混合液B喷涂于步骤S2得到的铝板上，喷涂厚度为0.075mm，再将其置于烘干箱中于55℃固化2.5h，随后用乙酸乙酯洗涤2h，最后于60℃下烘干3h，加强其耐磨性。
如图5-6所示，测试本实施例制备的高耐磨超疏水金属板材的接触角为156.69°，滚动角为5.89°；且如图7-8所示，经过5000g落砂实验后，再测量其接触角为151.67°，滚动角为6.99°。
实施例3
本实施例的高耐磨超疏水金属板材的制备方法包括以下步骤：
S1：将1份液态石蜡、1份纳米氧化锌和2份环氧树脂粘合剂加入到16份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液A；
S2：取铝板，去除其氧化铝层后，采用喷涂法，将配制的混合液A喷涂在铝板上，喷涂厚度为0.25mm；随后将其置于烘干箱中于60℃固化2h，再用乙酸乙酯洗涤1h，最后于60℃下烘干2h；
S3：将1份液态石蜡、1份纳米氧化锌和2份环氧树脂粘合剂加入到36份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液B；将混合液B喷涂于步骤S2得到的铝板上，喷涂厚度为0.1mm，再将其置于烘干箱中于60℃固化2h，随后用乙酸乙酯洗涤1h，最后于60℃下烘干2h。
如图9-10所示，测试本实施例制备的高耐磨超疏水金属板材的接触角为160.94°，滚动角为3.68°；且如图11-12所示，经过5000g落砂实验后，再测量其接触角为155.89°，滚动角为4.97°。
实施例4
本实施例的高耐磨超疏水金属板材的制备方法包括以下步骤：
S1：将1份液态石蜡、3份纳米氧化锌和4份环氧树脂粘合剂加入到32份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液A；
S2：取铝板，去除其氧化铝层后，采用喷涂法，将配制的混合液A喷涂在铝板上，喷涂厚度为0.25mm；随后将其置于烘干箱中于50℃固化3h，再用乙酸乙酯洗涤1h，最后于60℃下烘干2h；
S3：将1份液态石蜡、3份纳米氧化锌和4份环氧树脂粘合剂加入到45.5份的乙酸乙酯中，搅拌均匀，充分混合配制得到混合液B；将混合液B喷涂于步骤S2得到的铝板上，喷涂厚度为0.1mm，再将其置于烘干箱中于50℃固化3h，随后用乙酸乙酯洗涤1h，最后于60℃下烘干2h，加强其耐磨性。
如图13-14所示，测试本实施例制备的高耐磨超疏水金属板材的接触角为156.39°，滚动角为6.58°；且如图15-16所示，经过5000g落砂实验后，再测量其接触角为152.98°，滚动角为7.99°。
对比例1
与实施例3的区别在于：步骤S3中，乙酸乙酯添加量为16份。
测试对比例1制备的金属板材的接触角为156.36°，滚动角为6.67°；经过5000g落砂实验后，测得其接触角为151.35°，滚动角为7.96°。
由实施例3和对比例1对比可知，耐磨测试后，接触角明显下降，金属板材表面的疏水性能降低。这是因为对比例1中，混合液A和B的浓度相同时，相当于单纯增加涂层厚度，由于疏水性能只和表面能以及表面结构有关，所以只是增加厚度不会影响其表面特性，并不会对其疏水性能有加强的作用。当混合液A浓度大于混合液B时，在A混合液的基础上加入混合液B，将会提高半互穿网络结构的粗糙程度，从而可以显著加强表面的微纳粗糙结构，而由于提高了表面的粗糙程度，所以其表面的疏水效果也会加强。
对比例2
与实施例3的区别在于：不进行步骤S3。
测试对比例2制备的金属板材的接触角为157.90°，滚动角为4.20°；经过5000g落砂实验后，测得其接触角为150.20°，滚动角为6.45°。
由实施例3和对比例2对比可知，对比例2的疏水性和耐磨性均显著降低。这是因为疏水材料的耐磨性主要跟其涂层厚度、涂层粘合力的强度、表面微纳结构的结构强度有关，对比例2未在金属板材上喷涂混合液B，一方面疏水材料的涂层厚度会降低，另一方面其表面微纳结构的半互穿网络的结构强度也会下降，从而导致其耐磨性将会显著降低；同时由于没有喷涂混合液B，其表面构筑的微纳粗糙结构的粗糙程度也会下降，会导致其疏水效果下降。
对比例3
与实施例3的区别在于：采用纳米氧化锌替代步骤S1、S3中的液态石蜡。
测试对比例3制备的金属板材的接触角为155.65°，滚动角为4.99°；经过5000g落砂实验后，测得其接触角为145.69°，滚动角为7.88°。
由实施例3和对比例3对比可知，对比例3的疏水性能和耐磨性均降低。这是因为，液态石蜡和纳米氧化锌之间会形成协同作用，使构造的互穿网络结构的粗糙程度和机械强度显著加强，液态石蜡和纳米氧化锌会形成半互穿网络结构，这一结构可以显著增强材料表面的粗糙程度从而提高其疏水效果，也可以加强其结构强度从而提高其耐摩擦能力。
对比例4
与实施例3的区别在于：采用聚氨酯粘合剂替代步骤S1、S3中的环氧树脂粘合剂。
测试对比例4制备的金属板材的接触角为160.70°，滚动角为3.70°；经过5000g落砂实验后，测得其接触角为153.22°，滚动角为6.11°。
由实施例3和对比例4对比可知，对比例4的疏水性能不变，但耐磨性能降低。这是因为环氧树脂用作粘合剂，能够粘结液态石蜡、纳米氧化锌混合液与铝片基材，同时也会帮助构筑半互穿网络结构，但不会直接改变材料表面的粗糙程度，可以显著提高材料的耐磨性能；同时其帮助液态石蜡和纳米氧化锌构筑粗糙微纳结构，可以提高结构的机械强度，从而提高其耐磨性。
对比例5
与实施例3的区别在于：步骤S2中，混合液A的喷涂厚度为0.5mm，步骤S3中，混合液B的喷涂厚度为0.3mm。
测试对比例5制备的金属板材的接触角为160.65°，滚动角为3.65°；经过5000g落砂实验后，测得其接触角为152.99°，滚动角为5.97°。
由实施例3和对比例5对比可知，对比例5的疏水性不变，但耐磨性能降低。这是因为疏水材料的耐磨性主要跟其涂层厚度、涂层粘合力的强度、表面微纳结构的结构强度有关，在一定范围内涂层越厚，材料的耐磨性越好，但是涂层过厚，其涂层粘合力可能会下降，从而使其耐磨性降低；但是喷涂厚度与表面的微纳粗糙结构关系不大，所以其疏水性能不会有显著改变。
对比例6
与实施例3的区别在于：步骤S1、S3中，液态石蜡的添加量为4份、纳米氧化锌的添加量为4.5份，环氧树脂粘合剂的添加量为6份。
测试对比例6制备的金属板材的接触角为157.68°，滚动角为4.98°；经过5000g落砂实验后，测得其接触角为150.36°，滚动角为8.05°。
由实施例3和对比例6对比可知，对比例6的疏水性和耐磨性均降低。这是因为在制备高耐磨超疏水金属板材时，其疏水性和耐磨性都与材料表面的微纳粗糙结构息息相关，半互穿网络结构是构筑微纳粗糙结构的基础，当改变混合液浓度时，其在金属表面涂敷后形成的半互穿网络结构将会被影响，浓度过高或过低其形成的互穿网络结构强度和粗糙程度均会降低，从而导致金属板材的疏水性和耐磨性同时降低。

Claims (7)

1.高耐磨超疏水金属板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂加入到有机溶剂中，配制得到混合液A；
S2：将混合液A涂敷于金属板材上，经固化、洗涤后再烘干；
S3：将液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂加入到有机溶剂中，配制得到混合液B，混合液B中液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂的总质量分数小于混合液A，将混合液B涂敷于金属板材上，经固化、洗涤后再烘干，即得高耐磨超疏水金属板材；
步骤S1、S3中，液态石蜡的重量份数为1-3份，纳米氧化锌的重量份数为1-3份，环氧树脂粘合剂的重量份数为2-4份；步骤S1中，有机溶剂的重量份数为16-72份，步骤S3中，有机溶剂的重量份数为36-152份；
步骤S2、S3中，采用喷涂法将混合液A或混合液B涂敷于金属板材上，混合液A的喷涂厚度为0.2-0.3mm，混合液B的喷涂厚度为0.05-0.1mm。
2.如权利要求1所述的高耐磨超疏水金属板材的制备方法，其特征在于，步骤S1中，液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂的总质量分数为10-20%；步骤S3中，液态石蜡、纳米氧化锌和环氧树脂粘合剂的总质量分数为5-15%。
3.如权利要求1所述的高耐磨超疏水金属板材的制备方法，其特征在于，步骤S2中，涂敷于金属板材之前，先去除金属板材表面的氧化层。
4.如权利要求1所述的高耐磨超疏水金属板材的制备方法，其特征在于，步骤S2、S3中，采用烘干方式对金属板材进行固化，烘干温度为50-60℃，烘干时间为2-3h；采用有机溶剂对固化后的金属板材进行洗涤，洗涤时间为1-2h。
5.如权利要求1所述的高耐磨超疏水金属板材的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙酸乙酯。
6.如权利要求1所述的高耐磨超疏水金属板材的制备方法，其特征在于，所述金属板材为铝板。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的高耐磨超疏水金属板材。
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