一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的製備方法與流程

2023-10-11 09:36:14

本發明屬於表面處理技術領域，尤其涉及一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的製備方法。

背景技術：

20世紀80年代，德國波恩大學的植物學家Barthlott和Neihuis通過對荷葉表面結構的觀察發現其表面存在著的微米級凸起和蠟狀組織結構，使得荷葉具有超疏水性(即水滴落在葉子表面會自動聚集成水珠滾落下來)引起了世界範圍內的極大關注。經研究發現自然界中的超疏水現象隨處可見，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構表面。這些微結構表面具有特殊的性質，如自清潔性、防粘附性、減阻性等。若將超疏水表面的優良特性運用到工程實際中可大大提高材料的使用性能，例如超疏水表面用於高層建築玻璃上，可實現雨水衝刷的自清潔效果，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，以其質量輕、比強度高、熱效率好、易加工成型、耐腐蝕性優等性能在眾多領域得到廣泛的應用。具有超疏水表面的鋁及鋁合金有著優良的自清潔性能和耐腐蝕性能，可廣泛應用於汽車、船舶、建築、航空航天及機械製造等工業領域。目前超疏水鋁基材料的製備主要採用表面塗層技術，使得疏水性能不夠理想同時還存在著基體與塗層間的結合力的問題。因此仍需要發展低成本且製備工藝簡單的超疏水鋁表面的製備方法。

目前金屬基超疏水表面的製備方法主要有化學刻蝕法、陽極氧化法、氣相沉積法、雷射燒蝕法等。化學刻蝕技術因其製備工藝簡單，重複性好，成本低，適應性廣而受到人們的廣泛關注。如申請號為201010521109.1的專利公開了一種低成本的鋁合金超疏水表面處理方法，採用鹽酸水溶液對鋁合金表面進行化學刻蝕，之後通過蒸鍍法利用長鏈脂肪酸對樣品表面進行蒸鍍修飾製得具有良好疏水性的鋁合金表面。申請號為201610073380.0的專利公開了一種具有微納複合結構的鋁表面超疏水塗層的製備方法，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，經過高溫處理及矽烷化修飾的到具有微納複合結構的超疏水鋁表面。申請號為201210031621.7的專利公開了一種金屬鋁仿生超疏水表面製備方法，該方法利該方法是將清洗乾淨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，然後掛在硝酸鈰和六甲基四胺混合溶液中化學刻蝕一夜，經硬脂酸修飾後得到接觸角為150°—165°的超疏水表面。申請號為201410667574.4的專利公開了一種構造高穩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鹼蝕再至於硝酸溶液中酸蝕，然後通過陽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腐蝕，通過氟矽烷修飾的到超疏水表面。

以上所述的超疏水表面的製備方法均能獲得較好的超疏水效果，但也存在一些問題。如鹽酸屬於危險化學用品，接觸其蒸汽或煙霧會引起急性中毒、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，使用時需小心。使用塗層法製備超疏水表面需考慮基體材料與塗層間結合力的問題，當塗層與外力作用時易產生剝落。申請號為201210031621.7和201410667574.4的專利工藝過程複雜，加工成本大，不利於大規模生產。因此，如何使用簡單易行的方法製備出穩定的超疏水自清潔表面，滿足其在工業方面的應用顯得尤為重要。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的超疏水鋁表面製備工藝複雜的缺陷，本發明提供一種具有自潔功能的超疏水鋁表面的製備方法。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為：一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的製備方法，步驟如下：

(1)預處理：將鋁樣品依次經打磨、清洗、乾燥後得到潔淨的樣品；

(2)化學刻蝕：將經預處理後的樣品放入氯化鐵水溶液中，在室溫下浸泡，再取出清除表面汙物，並風乾；

(3)表面修飾：將化學刻蝕處理後的樣品置於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，然後取出放入恆溫烘箱中乾燥，即製得超疏水鋁表面。

具體地，步驟(1)所述的預處理步驟具體為將鋁樣品依次經400#、1000#、3000#砂紙打磨，經打磨處理後的樣品再依次用無水乙醇和蒸餾水進行超聲波清洗，超聲溫度為40～60℃，時間為15～30min，再在50～80℃恆溫烘箱中乾燥20～30min，得到潔淨的樣品。

作為優選，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。

進一步地，步驟(2)所述的清除表面汙物具體步驟為，將浸泡氯化鐵水溶液後的樣品取出放入超聲波清洗劑內依次用無水乙醇、蒸餾水在40-60℃恆溫下超聲清洗5-10min。

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

作為優選，所述低表面能試劑中的低表面能物質的質量百分數為1％-2％。

作為優選，步驟(3)所述的乾燥調節為在130℃的恆溫烘箱中乾燥20-30min。

具體地，步驟(2)和步驟(3)所述的室溫為空氣溼度為60％-80％，環境溫度為20-26℃。

有益效果：製備工藝簡單、原料易得。採用化學刻蝕技術和表面修飾相結合的方法，在大氣環境下即可實現具有自清潔功能的超疏水鋁表面的製備；所製得的具有自清潔功能的超疏水鋁表面具有粗糙的微結構，對水的接觸角為150°左右；所製得的具有自清潔功能的超疏水鋁表面有優良的自清潔和疏水效果，水滴落在樣品表面不會停滯不動，而是迅速滾落並帶走表面的塵土和汙物，同時可以減少鋁合金基體與水滴的接觸時間，降低腐蝕、增加其使用性能。

附圖說明

圖1是實例1所得的超疏水鋁表面的微觀結構圖；

圖2是實例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刻蝕樣品的自潔性的比較圖。

具體實施方式

為了更好的理解本發明，以下結合實例對本發明的技術方案做進一步詳細的介紹。下述實施例中所述實驗方法如無特殊說明均為常規方法，所述試劑和材料如無特殊說明均從商業途徑可獲得。

實施例1

本實施例的一種具有自清潔功能的超疏水鋁表面的製備方法，包括如下步驟：

(1)預處理：將6061鋁合金片依次經400#、1000#、3000#砂紙打磨，經打磨處理後的樣品依次用無水乙醇和蒸餾水進行超聲波清洗，超聲溫度為50℃，時間為20min，再在80℃恆溫烘箱中乾燥10min，得到潔淨的樣品；

(2)化學刻蝕：將所述潔淨的樣品放入1.4mol/L氯化鐵水溶液中，在室溫環境下浸泡60min。取出放入超聲波清洗機內依次用無水乙醇、蒸餾水在60℃恆溫下超聲清洗5min以清除表面汙物，並風乾；

(3)表面修飾：將化學處理後的樣品置於2％的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基矽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，然後取出放入130℃左右的恆溫烘箱中乾燥30min，即製得所述的具有自清潔功能的超疏水鋁表面。

本實例製得的具有自清潔功能的超疏水鋁表面的微觀結構圖如圖1所示，表面呈微米級粗糙結構。

本實例製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°。

對比例1

為了和實施例1形成對比，將實施例1中的化學刻蝕液1.4mol/L的氯化鐵水溶液替換為1.4mol/L的氯化銅水溶液，並將刻蝕反應時間替換為30s(經試驗發現氯化銅水溶液刻蝕鋁合金樣品的最佳反應時間是30s，低於30s反應不充分，高於30s反應過度，都影響其接觸角值)，其他條件同實施例1。

通過比較發現：

1.在使用氯化銅作為刻蝕液進行反應時，其反應比較劇烈、反應速率較難控制；而氯化鐵反應較為溫和、易於控制其反應速率。

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，將三個樣品表面均鋪上一層沙土，然後滴約10μl左右的純水，並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刻蝕樣品的自潔性的比較圖。經比較發現在氯化鐵刻蝕的樣品表面，水滴滾落時會帶走沿路的沙土，自潔性最好。在氯化銅刻蝕的樣品表面，水滴滾落時能帶走大部分塵土，仍有小部分塵土留著樣品表面。未經修飾的樣品表面的自潔性較差，塵土和水混合在一起，並殘留在樣品表面。

4.氯化銅的市售價格是氯化鐵價格的4倍左右，相比較而言氯化鐵的性價比更高。

實施例2

(1)預處理：將6061鋁合金片依次經400#、1000#、3000#砂紙打磨，經打磨處理後的樣品依次用無水乙醇和蒸餾水進行超聲波清洗，超聲溫度為40℃，時間為30min，再在50℃恆溫烘箱中乾燥20min，得到潔淨的樣品；

(2)化學刻蝕：將所述潔淨的樣品放入1.5mol/L氯化鐵水溶液中，在室溫環境下浸泡30min。取出放入超聲波清洗機內依次用無水乙醇、蒸餾水在40℃恆溫下超聲清洗10min以清除表面汙物，並風乾；

(3)表面修飾：將化學處理後的樣品置於1％的十七氟癸基三甲氧基矽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，然後取出放入130℃左右的恆溫烘箱中乾燥20min，即製得所述的具有自清潔功能的超疏水鋁表面。經測試最終製得的樣品與水的接觸角為148°。