一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的制備方法與流程

本發(fā)明屬于表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的制備方法。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)80年代，德國(guó)波恩大學(xué)的植物學(xué)家Barthlott和Neihuis通過(guò)對(duì)荷葉表面結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)其表面存在著的微米級(jí)凸起和蠟狀組織結(jié)構(gòu)，使得荷葉具有超疏水性(即水滴落在葉子表面會(huì)自動(dòng)聚集成水珠滾落下來(lái))引起了世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)自然界中的超疏水現(xiàn)象隨處可見，水稻的葉子、鯊魚皮、蝴蝶的翅膀、水黽的腿部、蟬翼表面均存在著超疏水微結(jié)構(gòu)表面。這些微結(jié)構(gòu)表面具有特殊的性質(zhì)，如自清潔性、防粘附性、減阻性等。若將超疏水表面的優(yōu)良特性運(yùn)用到工程實(shí)際中可大大提高材料的使用性能，例如超疏水表面用于高層建筑玻璃上，可實(shí)現(xiàn)雨水沖刷的自清潔效果，減少人力物力的損耗。

鋁及其合金是一種非常重要的工程金屬材料，以其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、熱效率好、易加工成型、耐腐蝕性優(yōu)等性能在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。具有超疏水表面的鋁及鋁合金有著優(yōu)良的自清潔性能和耐腐蝕性能，可廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、建筑、航空航天及機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域。目前超疏水鋁基材料的制備主要采用表面涂層技術(shù)，使得疏水性能不夠理想同時(shí)還存在著基體與涂層間的結(jié)合力的問(wèn)題。因此仍需要發(fā)展低成本且制備工藝簡(jiǎn)單的超疏水鋁表面的制備方法。

目前金屬基超疏水表面的制備方法主要有化學(xué)刻蝕法、陽(yáng)極氧化法、氣相沉積法、激光燒蝕法等?；瘜W(xué)刻蝕技術(shù)因其制備工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，成本低，適應(yīng)性廣而受到人們的廣泛關(guān)注。如申請(qǐng)?zhí)枮?01010521109.1的專利公開了一種低成本的鋁合金超疏水表面處理方法，采用鹽酸水溶液對(duì)鋁合金表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕，之后通過(guò)蒸鍍法利用長(zhǎng)鏈脂肪酸對(duì)樣品表面進(jìn)行蒸鍍修飾制得具有良好疏水性的鋁合金表面。申請(qǐng)?zhí)枮?01610073380.0的專利公開了一種具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋁表面超疏水涂層的制備方法，該方法是先將鋁片浸入酸刻蝕液中刻蝕，再浸泡在納米粒子溶液中，經(jīng)過(guò)高溫處理及硅烷化修飾的到具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水鋁表面。申請(qǐng)?zhí)枮?01210031621.7的專利公開了一種金屬鋁仿生超疏水表面制備方法，該方法利該方法是將清洗干凈的鋁片放在一定濃度的鹽酸或氫氧化鈉溶液中浸泡以去除材料表面的氧化層，然后掛在硝酸鈰和六甲基四胺混合溶液中化學(xué)刻蝕一夜，經(jīng)硬脂酸修飾后得到接觸角為150°—165°的超疏水表面。申請(qǐng)?zhí)枮?01410667574.4的專利公開了一種構(gòu)造高穩(wěn)定超疏水鋁表面方法，該方法是先將鋁片放入氫氧化鈉溶液中堿蝕再至于硝酸溶液中酸蝕，然后通過(guò)陽(yáng)極氧化的方法在鋁片表面沉積氧化鋁薄膜再浸入氨水中化學(xué)腐蝕，通過(guò)氟硅烷修飾的到超疏水表面。

以上所述的超疏水表面的制備方法均能獲得較好的超疏水效果，但也存在一些問(wèn)題。如鹽酸屬于危險(xiǎn)化學(xué)用品，接觸其蒸汽或煙霧會(huì)引起急性中毒、鼻出血、齒齦出血等情況，誤服可引起消化道灼傷，胃穿孔等情況，使用時(shí)需小心。使用涂層法制備超疏水表面需考慮基體材料與涂層間結(jié)合力的問(wèn)題，當(dāng)涂層與外力作用時(shí)易產(chǎn)生剝落。申請(qǐng)?zhí)枮?01210031621.7和201410667574.4的專利工藝過(guò)程復(fù)雜，加工成本大，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，如何使用簡(jiǎn)單易行的方法制備出穩(wěn)定的超疏水自清潔表面，滿足其在工業(yè)方面的應(yīng)用顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的超疏水鋁表面制備工藝復(fù)雜的缺陷，本發(fā)明提供一種具有自潔功能的超疏水鋁表面的制備方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的制備方法，步驟如下：

(1)預(yù)處理：將鋁樣品依次經(jīng)打磨、清洗、干燥后得到潔凈的樣品；

(2)化學(xué)刻蝕：將經(jīng)預(yù)處理后的樣品放入氯化鐵水溶液中，在室溫下浸泡，再取出清除表面污物，并風(fēng)干；

(3)表面修飾：將化學(xué)刻蝕處理后的樣品置于低表面能試劑中在室溫下浸泡1～2h，使樣品表面形成一層疏水薄膜，然后取出放入恒溫烘箱中干燥，即制得超疏水鋁表面。

具體地，步驟(1)所述的預(yù)處理步驟具體為將鋁樣品依次經(jīng)400^#、1000^#、3000^#砂紙打磨，經(jīng)打磨處理后的樣品再依次用無(wú)水乙醇和蒸餾水進(jìn)行超聲波清洗，超聲溫度為40～60℃，時(shí)間為15～30min，再在50～80℃恒溫烘箱中干燥20～30min，得到潔凈的樣品。

作為優(yōu)選，步驟(2)所述的氯化鐵水溶液的濃度為1.4～1.5mol/L，樣品在氯化鐵水溶液中浸泡30-60min。

進(jìn)一步地，步驟(2)所述的清除表面污物具體步驟為，將浸泡氯化鐵水溶液后的樣品取出放入超聲波清洗劑內(nèi)依次用無(wú)水乙醇、蒸餾水在40-60℃恒溫下超聲清洗5-10min。

作為優(yōu)選，步驟(3)所述的低表面能試劑為1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液、硬脂酸的乙醇溶液、十六烷基三甲基硅烷的乙醇溶液、十七氟癸基三甲氧基硅烷的乙醇溶液、月桂酸的乙醇溶液和棕櫚酸的乙醇溶液中的一種。

作為優(yōu)選，所述低表面能試劑中的低表面能物質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1％-2％。

作為優(yōu)選，步驟(3)所述的干燥調(diào)節(jié)為在130℃的恒溫烘箱中干燥20-30min。

具體地，步驟(2)和步驟(3)所述的室溫為空氣濕度為60％-80％，環(huán)境溫度為20-26℃。

有益效果：制備工藝簡(jiǎn)單、原料易得。采用化學(xué)刻蝕技術(shù)和表面修飾相結(jié)合的方法，在大氣環(huán)境下即可實(shí)現(xiàn)具有自清潔功能的超疏水鋁表面的制備；所制得的具有自清潔功能的超疏水鋁表面具有粗糙的微結(jié)構(gòu)，對(duì)水的接觸角為150°左右；所制得的具有自清潔功能的超疏水鋁表面有優(yōu)良的自清潔和疏水效果，水滴落在樣品表面不會(huì)停滯不動(dòng)，而是迅速滾落并帶走表面的塵土和污物，同時(shí)可以減少鋁合金基體與水滴的接觸時(shí)間，降低腐蝕、增加其使用性能。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)例1所得的超疏水鋁表面的微觀結(jié)構(gòu)圖；

圖2是實(shí)例1所得的超疏水鋁表面的接觸角示意圖；

圖3是氯化鐵刻蝕樣品、氯化銅刻蝕樣品和未經(jīng)刻蝕樣品的比較圖；

圖4是氯化鐵刻蝕樣品、氯化銅刻蝕樣品和未經(jīng)刻蝕樣品的自潔性的比較圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的理解本發(fā)明，以下結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的介紹。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明均為常規(guī)方法，所述試劑和材料如無(wú)特殊說(shuō)明均從商業(yè)途徑可獲得。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的制備方法，包括如下步驟：

(1)預(yù)處理：將6061鋁合金片依次經(jīng)400^#、1000^#、3000^#砂紙打磨，經(jīng)打磨處理后的樣品依次用無(wú)水乙醇和蒸餾水進(jìn)行超聲波清洗，超聲溫度為50℃，時(shí)間為20min，再在80℃恒溫烘箱中干燥10min，得到潔凈的樣品；

(2)化學(xué)刻蝕：將所述潔凈的樣品放入1.4mol/L氯化鐵水溶液中，在室溫環(huán)境下浸泡60min。取出放入超聲波清洗機(jī)內(nèi)依次用無(wú)水乙醇、蒸餾水在60℃恒溫下超聲清洗5min以清除表面污物，并風(fēng)干；

(3)表面修飾：將化學(xué)處理后的樣品置于2％的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中在室溫下浸泡1h,使樣品表面形成一層疏水薄膜，然后取出放入130℃左右的恒溫烘箱中干燥30min，即制得所述的具有自清潔功能的超疏水鋁表面。

本實(shí)例制得的具有自清潔功能的超疏水鋁表面的微觀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，表面呈微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。

本實(shí)例制得的具有自清潔功能的超疏水鋁表面的接觸角如圖2所示，與水的接觸角為149°。

對(duì)比例1

為了和實(shí)施例1形成對(duì)比，將實(shí)施例1中的化學(xué)刻蝕液1.4mol/L的氯化鐵水溶液替換為1.4mol/L的氯化銅水溶液，并將刻蝕反應(yīng)時(shí)間替換為30s(經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氯化銅水溶液刻蝕鋁合金樣品的最佳反應(yīng)時(shí)間是30s，低于30s反應(yīng)不充分，高于30s反應(yīng)過(guò)度，都影響其接觸角值)，其他條件同實(shí)施例1。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：

1.在使用氯化銅作為刻蝕液進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，其反應(yīng)比較劇烈、反應(yīng)速率較難控制；而氯化鐵反應(yīng)較為溫和、易于控制其反應(yīng)速率。

2.氯化銅刻蝕的樣品的接觸角為146°，而氯化鐵刻蝕的樣品的接觸角為149°，因此使用氯化鐵刻蝕的樣品的疏水性比氯化銅好。

3.圖3從左到右依次為氯化鐵刻蝕的鋁合金樣品、氯化銅刻蝕的鋁合金樣品、未經(jīng)刻蝕的鋁合金樣品圖。為比較兩種方法的自潔性大小，在室溫下，將三個(gè)樣品表面均鋪上一層沙土，然后滴約10μl左右的純水，并將樣品傾斜一定的角度觀察他們的自清潔情況。圖4為氯化鐵刻蝕樣品、氯化銅刻蝕樣品和未經(jīng)刻蝕樣品的自潔性的比較圖。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)在氯化鐵刻蝕的樣品表面，水滴滾落時(shí)會(huì)帶走沿路的沙土，自潔性最好。在氯化銅刻蝕的樣品表面，水滴滾落時(shí)能帶走大部分塵土，仍有小部分塵土留著樣品表面。未經(jīng)修飾的樣品表面的自潔性較差，塵土和水混合在一起，并殘留在樣品表面。

4.氯化銅的市售價(jià)格是氯化鐵價(jià)格的4倍左右，相比較而言氯化鐵的性價(jià)比更高。

實(shí)施例2

(1)預(yù)處理：將6061鋁合金片依次經(jīng)400^#、1000^#、3000^#砂紙打磨，經(jīng)打磨處理后的樣品依次用無(wú)水乙醇和蒸餾水進(jìn)行超聲波清洗，超聲溫度為40℃，時(shí)間為30min，再在50℃恒溫烘箱中干燥20min，得到潔凈的樣品；

(2)化學(xué)刻蝕：將所述潔凈的樣品放入1.5mol/L氯化鐵水溶液中，在室溫環(huán)境下浸泡30min。取出放入超聲波清洗機(jī)內(nèi)依次用無(wú)水乙醇、蒸餾水在40℃恒溫下超聲清洗10min以清除表面污物，并風(fēng)干；

(3)表面修飾：將化學(xué)處理后的樣品置于1％的十七氟癸基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中在室溫下浸泡2h,使樣品表面形成一層疏水薄膜，然后取出放入130℃左右的恒溫烘箱中干燥20min，即制得所述的具有自清潔功能的超疏水鋁表面。經(jīng)測(cè)試最終制得的樣品與水的接觸角為148°。