TWI577837B - 鋁或鋁合金的表面處理方法及其製品 - Google Patents

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鋁或鋁合金的表面處理方法及其製品
本發明涉及一種鋁或鋁合金的表面處理方法及由該方法製得的鋁製品。
研究發現與水的接觸角大於150º的超疏水錶面具有自清潔功能，還能防腐蝕、防水、防塵等。金屬基底上超疏水表面性能有著廣泛的應用前景。通常認為微米與奈米尺度相結合的複合粗糙結構以及低表面自由能係構成超疏水表面的兩個必要條件。習知之用於形成金屬鋁表面粗糙結構的方法有化學方法和電化學方法兩種。其中化學方法通常係用酸或堿腐蝕金屬鋁來獲得粗糙結構，化學腐蝕方法簡單，能快速獲得微米級粗糙結構，然品質難以控制，且不利於環保。所述電化學方法一般為陽極氧化法，陽極氧化法易形成均勻的奈米級粗糙結構，然加工時間較長，不利於大規模生產。
有鑒於此，本發明提供一種簡單有效的鋁或鋁合金的表面處理方法。
另外，本發明還提供一種上述方法製得的鋁製品。
一種鋁或鋁合金的表面處理方法，包括如下步驟： 提供鋁基材；對鋁基材表面進行前處理；對經前處理的鋁基材表面進行噴砂處理，以於鋁基材表面形成多個微米級的孔洞；對經噴砂處理的鋁基材進行陽極氧化處理，以於噴砂形成的微米級孔洞內壁上進一步形成多個奈米級的孔洞；將氟矽烷的乙醇溶液均勻噴塗於經陽極氧化處理的鋁基材表面並固化，以於鋁基材表面形成氟矽烷修飾膜。
一種由上述鋁或鋁合金的表面處理方法製得的鋁製品，包括一鋁基材及形成於該鋁基材表面的氟矽烷固化膜，該鋁基材的表面被多個微米級的孔洞所覆蓋，所述微米級的孔洞的內壁上進一步形成了多個孔徑尺寸更小的奈米級的孔洞，該氟矽烷修飾膜形成於鋁基材具有該微米級孔洞及奈米級孔洞的表面，該氟矽烷修飾膜係由塗覆於鋁基材表面的氟矽烷的乙醇溶液固化形成。
上述鋁或鋁合金的表面處理方法於鋁基材的表面形成多個微米與奈米尺寸相結合的複合結構的孔洞，使鋁基材表面具有類似於荷葉表面的結構，有利於疏水，同時結合該低表面能的氟矽烷修飾膜使鋁基材具有超疏水的表面性能。
10‧‧‧鋁製品
11‧‧‧鋁基材
112‧‧‧微米孔洞
1122‧‧‧奈米孔洞
13‧‧‧氟矽烷修飾膜
圖1係本發明實施例1製備的鋁超疏水表面的掃描電鏡圖及接觸角測量結果圖。
圖2係本發明實施例2製備的鋁超疏水表面的掃描電鏡圖及接觸角 測量結果圖。
圖3係本發明實施例3製備的鋁超疏水表面的掃描電鏡圖及接觸角測量結果圖。
圖4係本發明較佳實施例鋁製品的剖面示意圖。
本發明的鋁或鋁合金的表面處理方法，主要包括如下步驟：提供鋁基材。該鋁基材可以為鋁或鋁合金。
對鋁基材進行前處理。該前處理可包括清洗鋁基材以去除表面油污；還可包括於除油清洗後對鋁基材表面進行電解拋光；還可進一步包括於電解拋光後用NaOH溶液浸泡鋁基材以去除鋁基材表面的氧化膜。該前處理具體可為：先使用三氯乙烯溶液去除鋁基材表面油污，再將其放入體積比為1：4-1：3的高氯酸和磷酸溶液中，於0.8-1.2A電流作用下浸泡3-5min進行表面電解拋光，經蒸餾水沖洗後放入質量濃度為1%-3%的NaOH溶液中浸泡0.5-2min後用蒸餾水清洗，以去除鋁基材表面存在的氧化膜。
對經前處理的鋁基材表面進行噴砂處理。該噴砂處理係採用直徑為80-120目的噴丸高速噴射到鋁基材表面，噴砂處理後的鋁基材表面形成微米級的粗糙結構，存在深淺不一的微米孔洞，微米孔洞的孔徑約為10-40μm。
對經噴砂處理的鋁基材進行陽極氧化處理。陽極氧化所用電解液可以為硫酸溶液。硫酸濃度可以為0.15-0.3mol/L，電解液溫度為8℃-12℃，採用恒電流模式，恒定電流為1.5A，電壓於10V-25V範圍內波動，氧化時間為3-10min。經陽極氧化處理於噴 砂形成的微米孔洞內壁上進一步形成了多個孔徑尺寸更小的奈米孔洞，這些奈米孔洞的孔徑大約為200nm-400nm。如此，於鋁基材的表面形成多個微米與奈米尺寸相結合的複合結構的孔洞，簡稱微米-奈米複合孔洞，使鋁基材表面具有類似於荷葉表面的結構。
對經陽極氧化處理的鋁基材表面進行低表面能改性修飾。將氟矽烷的乙醇溶液均勻噴塗於經陽極氧化處理的鋁基材表面，然後固化，以於鋁基材表面形成低表面能的氟矽烷修飾膜。所述氟矽烷係指含氟的矽烷，如十七氟癸基三甲氧基矽烷、十三氟辛基三乙氧基矽烷。所述氟矽烷的乙醇溶液可為將氟矽烷：水：95%的乙醇按體積比為5：5：90混合得到的溶液。所述固化可採用80℃-120℃高溫烘烤30-60min。
上述經噴砂處理及陽極氧化處理於鋁基材表面形成的微米-奈米複合孔洞有利於疏水，同時結合低表面能的氟矽烷修飾膜使鋁基材具有超疏水的表面性能，即鋁基材表面對水的靜態接觸角大於150º。
請參閱圖4，由上述鋁或鋁合金的表面處理方法製得的鋁製品10包括一鋁基材11及形成於該鋁基材11表面的氟矽烷修飾膜13。該鋁基材11可為鋁或鋁合金。鋁基材11的表面被多個微米孔洞112(圖4中僅示出了一個)所覆蓋，所述微米孔洞112的孔徑約為10μm-40μm。所述微米孔洞112的內壁上進一步形成了多個孔徑尺寸更小的奈米孔洞1122(圖4中僅示出了一個)，這些奈米孔洞的孔徑大約為200nm-400nm。即，該鋁基材11的表面形成多個微米與奈米尺寸相結合的複合結構的孔洞，簡稱微米-奈米複合孔 洞，使鋁基材11表面具有類似於荷葉表面的結構。該氟矽烷修飾膜13形成於鋁基材11具有該微米-奈米複合孔洞的表面，且該氟矽烷修飾膜13具有鋁基材11的表面仿形結構，即氟矽烷修飾膜13基本未填堵鋁基材11表面的微米孔洞112及奈米孔洞1122，使鋁製品10具有與其鋁基材11基本相同的表面形貌。氟矽烷修飾膜13係由塗覆於鋁基材11表面的氟矽烷的乙醇溶液固化形成。
鋁製品10表面的微米-奈米複合孔洞有利於疏水，同時結合低表面能的氟矽烷修飾膜13使鋁製品10具有超疏水的表面性能。
下麵結合具體實施例，對本發明進行進一步詳細說明。
實施例1
1)先使用三氯乙烯溶液去除鋁片表面油污，再將其放入體積比為1：3的高氯酸和磷酸溶液中，於0.8A電流作用下浸泡3min進行表面電解拋光，經蒸餾水沖洗後放入質量濃度為2%的NaOH溶液中浸泡1min後用蒸餾水清洗，以去除鋁基材表面存在的氧化膜。
2)採用直徑為100目的噴丸高速噴射到鋁基材表面，於鋁基材表面形成深淺不一的微米孔洞。
3)將鋁基材進行陽極氧化處理。陽極氧化所用電解液為硫酸溶液。硫酸濃度為0.3mol/L，電解液溫度為8℃-12℃，電壓為10V-25V，使電流恒定為1.5A，處理時間為3min。陽極氧化處理於所述微米孔洞內壁上進一步形成了多個孔徑尺寸更小的奈米孔洞。
4)將十七氟癸基三甲氧基矽烷、水、95%的乙醇按5：5：90配好後均勻噴塗於鋁基材表面，然後於120℃下烘烤40min，於鋁基材 上製得超疏水表面。
實施例1製備的鋁超疏水表面與水的接觸角為152º。實施例1製備的鋁超疏水表面的掃描電鏡圖及接觸角測量結果圖參圖1。
實施例2
1)先使用三氯乙烯溶液去除鋁片表面油污，再將其放入體積比為1：4的高氯酸和磷酸溶液中，於1A電流作用下浸泡3min進行表面電解拋光，經蒸餾水沖洗後放入質量濃度為2%的NaOH溶液中浸泡1min後用蒸餾水清洗，以去除鋁基材表面存在的氧化膜。
2)採用直徑為80目的噴丸高速噴射到鋁基材表面，於鋁基材表面形成深淺不一的微米孔洞。
3)將鋁基材進行陽極氧化處理。陽極氧化所用電解液為硫酸溶液。硫酸濃度為0.3mol/L，電解液溫度為8℃-12℃，電壓為10V-25V，處理時間為3min。陽極氧化處理於所述微米孔洞內壁上進一步形成了多個孔徑尺寸更小的奈米孔洞。
4)將十七氟癸基三甲氧基矽烷、水、95%的乙醇按5：5：90配好後均勻噴塗於鋁基材表面，然後於120℃下烘烤40min，於鋁基材上製得超疏水表面。
實施例2製備的鋁超疏水表面與水的接觸角為157º。實施例2製備的鋁超疏水表面的掃描電鏡圖及接觸角測量結果圖參圖2。
實施例3
1)先使用三氯乙烯溶液去除鋁片表面油污，再將其放入體積比為1：4的高氯酸和磷酸溶液中，於1A電流作用下浸泡3min進行表 面電解拋光，經蒸餾水沖洗後放入質量濃度為3%的NaOH溶液中浸泡0.5min後用蒸餾水清洗，以去除鋁基材表面存在的氧化膜。
2)採用直徑為120目的噴丸高速噴射到鋁基材表面，於鋁基材表面形成深淺不一的微米孔洞。
3)將鋁基材進行陽極氧化處理。陽極氧化所用電解液為硫酸溶液。硫酸濃度為0.3mol/L，電解液溫度為8℃-12℃，電壓為10V-25V，處理時間為3min。陽極氧化處理於所述微米孔洞內壁上進一步形成了多個孔徑尺寸更小的奈米孔洞。
4)將十七氟癸基三甲氧基矽烷、水、95%的乙醇按5：5：90配好後均勻噴塗於鋁基材表面，然後於100℃下烘烤40min，於鋁基材上製得超疏水表面。
實施例3製備的鋁超疏水表面與水的接觸角為150º。實施例3製備的鋁超疏水表面的掃描電鏡圖及接觸角測量結果圖參圖3。
10‧‧‧鋁製品
11‧‧‧鋁基材
112‧‧‧微米孔洞
1122‧‧‧奈米孔洞
13‧‧‧氟矽烷修飾膜

Claims (10)

  1. 一種鋁或鋁合金的表面處理方法，包括如下步驟：提供鋁或鋁合金基材；對鋁或鋁合金基材表面進行前處理；對經前處理的鋁或鋁合金基材表面進行噴砂處理，以於鋁或鋁合金基材表面形成多個微米級的孔洞；對經噴砂處理的鋁或鋁合金基材進行陽極氧化處理，以於噴砂形成的微米級孔洞內壁上進一步形成多個奈米級的孔洞；將氟矽烷的乙醇溶液均勻噴塗於經陽極氧化處理的鋁或鋁合金基材表面並固化，以於鋁或鋁合金基材表面形成氟矽烷修飾膜，所述固化係指於80℃-120℃下烘烤該鋁基材30min-60min。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鋁或鋁合金的表面處理方法，其中所述噴砂處理係採用直徑為80-120目的噴丸高速噴射到鋁基材表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鋁或鋁合金的表面處理方法，其中所述微米級孔洞的孔徑為10μm-40μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鋁或鋁合金的表面處理方法，其中所述陽極氧化處理所用電解液為硫酸溶液，硫酸濃度為0.15mol/L-0.3mol/L，電解液溫度為8℃-12℃，電壓為10V-25V，處理時間為3min-10min。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鋁或鋁合金的表面處理方法，其中所述氟矽烷的乙醇溶液為將氟矽烷、水、95%的乙醇按體積比為5：5：90混合得到的溶液。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鋁或鋁合金的表面處理方法，其中所述氟矽烷為十七氟癸基三甲氧基矽烷或者十三氟辛基三乙氧基矽烷。
  7. 一種由上述1-7項任意一項所述的鋁或鋁合金的表面處理方法獲得的鋁製品，包括一鋁或鋁合金基材及形成於該鋁基材表面的氟矽烷修飾膜，該鋁或鋁合金基材的表面形成多個微米孔洞，所述微米孔洞的內壁上進一步形成了多個的奈米孔洞，該氟矽烷修飾膜形成於微米-奈米複合孔洞的表面，且該氟矽烷修飾膜基本未填堵鋁或鋁合金基材表面的微米孔洞及奈米孔洞。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之鋁或鋁合金表面處理方法獲得的鋁製品，其中所述微米級孔洞的孔徑為10μm-40μm。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之鋁或鋁合金表面處理方法獲得的鋁製品，其中所述奈米孔洞的孔徑為200nm-400nm。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之鋁或鋁合金表面處理方法獲得的鋁製品，其中所述鋁製品表面與水的接觸角為150º~160º。
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