CN101942654B - 铝合金超疏水表面的一步浸泡处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金超疏水表面的一步浸泡处理方法：(1)将铝合金浸泡在盐酸、长链脂肪酸及乙醇的混合溶液中，浸泡水浴温度为30℃~70℃，浸泡时间为5min~25min，所述混合溶液中的盐酸、长链脂肪酸及乙醇的质量比为：30~50∶2~10∶40~68，所述的长链脂肪酸至少包括豆蔻酸和棕榈酸中的一种，(2)将化学浸泡处理后的铝合金经去离子水清洗后，置于箱式电炉中，在50℃~90℃下固化处理0.5~1.5小时，后取出空冷。本发明将铝合金浸泡在盐酸、长链脂肪酸及乙醇的混合溶液中，通过盐酸构造表面粗糙结构，长链脂肪酸构造表面粗糙结构和改变浸润性的双重作用，制备出水滴不易黏附，具有优良超疏水特性的铝合金表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种简便的铝合金的表面处理方法。
背景技术
超疏水表面技术应用于金属材料，可以起到自清洁、抑制表面腐蚀和表面氧化、降低摩擦系数以及增强抗霜冻性能的效果，因此，制备金属超疏水表面，具有重要的应用前景。在已有的金属材料制备超疏水表面的各种方法中，主要技术特点是通过构建合适的金属粗糙表面，然后在所制得的粗糙表面上修饰低表面能物质，即分步制备工艺。如Shen等采用化学刻蚀的方法在金属铝、铜以及锌的表面上构筑了粗糙的结构，进一步使用氟硅烷对表面进行修饰后，得到超疏水表面，水滴与表面的接触角达150°以上；Wang研究小组采用Beck试剂对铝进行刻蚀，然后再用低表面能物质进行修饰，制得了疏水性能良好的表面。Guo等将铝合金浸入到一定浓度的氢氧化钠水溶液中刻蚀一段时间后，再在表面上修饰低表面能材料，从而得到了与水滴接触角高达161°的稳定的超疏水表面。Xiao等首先将铝片进行羟基化粗糙处理作为基底，再将其浸泡在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中形成PEI涂层，然后将形成有PEI涂层的铝片浸泡在硬脂酸(STA)与N, Nˊ—二环己基碳二亚胺(DCCD)的混合溶液中，通过STA中的羧基与PEI中的氨基相互作用，使涂层上吸附STA自组装单层膜，最后得到了接触角为166°的超疏水薄膜。
目前，对于铝合金超疏水表面的制备方法已有很多，但主要处于研究阶段，已有的一些制备技术中，由于制备过程或采用特殊的制备设备和工艺，或采用昂贵的低表面能物质进行修饰，造成制备成本高，操作复杂，可控性差等，不适用于工业化批量生产，如电化学沉积法、模板法、自组装法等等。即使有些有望实现工业化生产的一些制备方法中，也仍然存在工艺不够简便、制备成本高等问题。例如，周峰等采用化学刻蚀与阳极氧化相结合的方法在铝合金表面构造粗糙结构，再利用氟硅烷进行表面修饰，制备得到铝合金超疏水表面，制备工艺复杂，且制备成本高昂。吴学东等在《一种轻质金属超疏水表面的制备方法》（专利CN200710156490.4）中提到的处理方法，通过阳极氧化处理构建微观结构，再采用氟硅烷进行表面修饰的方法，也是将制备工艺分为两步，且表面修饰剂的价格昂贵，并没有从本质上解决简化工艺、降低成本的问题。郗金明等在《用于金属防腐和自清洁功效的超疏水表面的制备方法》（专利号CN200710177876.3）中所述的电化学法，采用脂肪酸的乙醇溶液作为电解质溶液，通过电化学作用使得阴极上的金属表面沉积一层具有防腐和自清洁功效的脂肪酸盐，从而得到具有超疏水特性的金属表面。脂肪酸的采用一定程度上降低了成本，电沉积的方法也摒弃了普遍的分步制备法，但电化学工艺复杂，可控性差，效率低且综合成本并没有得到有效降低，并不适宜大规模的工业化生产推广，因此寻求一种真正意义上的简便易行，成本低廉，且能获得性能优良的超疏水表面的方法仍是目前人们研究的重点。
长链脂肪酸不仅可以作为低表面能修饰剂，其自身的酸性还能对金属表面产生作用，从而起到粗糙表面构造及浸润性改变的双重作用，为简化超疏水表面制备工艺提供了有效思路。并且长链脂肪酸还具有成本低廉，只含有C、H、O三种元素，对环境无污染，对修饰表面的选择性小等优势。
发明内容
本发明提供了一种简便易行的铝合金超疏水表面的一步浸泡处理方法，本发明采用一步浸泡法取代普遍使用的分步制备工艺，使表面粗糙结构的构建及浸润性的改变同时进行，获得超疏水铝合金表面。
本发明采用如下技术方案：
一种铝合金超疏水表面的一步浸泡处理方法，所述处理方法包括下列步骤：
(1) 将铝合金浸泡在盐酸、长链脂肪酸及乙醇的混合溶液中，浸泡水浴温度为30℃~70℃，浸泡时间为5min~25min，所述混合溶液中的盐酸、长链脂肪酸及乙醇的质量比为：30~50∶2~10∶40~68，所述的长链脂肪酸至少包括豆蔻酸和棕榈酸中的一种；
(2) 将化学浸泡处理后的铝合金经去离子水清洗后，置于箱式电炉中，在50℃~90℃下固化处理0.5~1.5小时，后取出空冷。
本发明提供的技术方法具有如下优点：
本发明采用低成本的盐酸、长链脂肪酸及乙醇的混合溶液，通过一步浸泡铝合金的处理方法，使得铝合金表面粗糙结构的构建与浸润性的改变同时进行，极大地简化了制备工艺，获得了理想的铝合金超疏水表面。此方法不仅设备简易，操作方便，工艺简便，且所用试剂的成本低廉，大幅降低了制备成本，易于工业化批量生产应用。
1. 经过混合溶液一步浸泡处理的铝合金材料具有良好的超疏水性能，接触角可高达160°左右，且黏附很小。
2. 采用一步浸泡法，使表面粗糙结构的构造及浸润性的改变同时进行，极大地简化了制备工艺。
3. 采用的反应剂污染小，易处理，且成本低廉[（豆蔻酸和棕榈酸的价格每500克均在25元左右）替代普遍使用的硅氧烷、氟硅烷（价格每5克1000元左右）]，大幅度降低了制备成本。
4. 制备工艺和所需设备简单，易于操作、效率高，综合成本低廉，易于工业化批量生产应用。
附图说明：
图1 为一步浸泡法（豆蔻酸）处理后铝合金表面粗糙结构的扫描电镜图及水滴在这种表面的状态图。
图2 为一步浸泡法（豆蔻酸）处理后水滴在铝合金表面的黏附性图。
图3 为一步浸泡法（棕榈酸）处理后水滴在铝合金表面的状态图。
图4 为一步浸泡法（棕榈酸）处理后水滴在铝合金表面的黏附性图。
图5为一步浸泡法（棕榈酸和豆蔻酸混合液）处理后水滴在铝合金表面的状态图。
图6为一步浸泡法（棕榈酸和豆蔻酸混合液）处理后水滴在铝合金表面的黏附性图。
图7 为一步浸泡法（棕榈酸和豆蔻酸混合液）处理后水滴在铝合金表面的状态图。
图8 为一步浸泡法（棕榈酸和豆蔻酸混合液）处理后水滴在铝合金表面的黏附性图。
具体实施方式
实施例1
配制盐酸、豆蔻酸及乙醇的混合溶液，混合溶液为：盐酸∶豆蔻酸∶乙醇质量比42∶5∶53。将A356铝合金在混合溶液中进行化学浸泡处理，浸泡温度为40℃（水浴），浸泡时间为8min，以在其表面构筑粗糙结构并进行表面修饰。对浸泡处理后的铝合金用去离子水清洗，去除残余反应剂，最后置于箱式电炉中加热到80℃固化0.5小时，后取出空冷。
试样在经过一步浸泡法处理后，表面结构如图1所示，左下角插图为放大形貌。经检测，样品与水的接触角为163°(处理前的A356铝合金与水的接触角为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图1右上角插图所示。黏附性情况如图2所示。
实施例2
配制盐酸、棕榈酸及乙醇的混合溶液，混合溶液为：盐酸∶棕榈酸∶乙醇质量比40∶7∶53。将A356铝合金在混合溶液中进行化学浸泡处理，浸泡温度为50℃（水浴），浸泡时间为6min，以在其表面构筑粗糙结构并进行表面修饰。对浸泡处理后的铝合金用去离子水清洗，去除残余反应剂，最后置于箱式电炉中加热到60℃固化1小时，后取出空冷。
试样在经过一步浸泡法处理后，经检测，样品与水的接触角为160°(处理前为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图3所示。黏附性情况如图4所示。
实施例3
配制盐酸、豆蔻酸、棕榈酸及乙醇的混合溶液，混合溶液为：盐酸∶豆蔻酸∶棕榈酸∶乙醇质量比45∶2∶8∶45。将A356铝合金在混合溶液中进行化学浸泡处理，浸泡温度为55℃（水浴），浸泡时间为9min，以在其表面构筑粗糙结构并进行表面修饰。对浸泡处理后的铝合金用去离子水清洗，去除残余反应剂，最后置于箱式电炉中加热到60℃固化1小时，后取出空冷。
试样在经过一步浸泡法处理后，经检测，样品与水的接触角为161°(处理前为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图5所示。黏附性情况如图6所示。
实施例4
配制盐酸、豆蔻酸、棕榈酸及乙醇的混合溶液，混合溶液为：盐酸∶豆蔻酸∶棕榈酸∶乙醇质量比30∶5∶9∶56。将A356铝合金在混合溶液中进行化学浸泡处理，浸泡温度为70℃（水浴），浸泡时间为5min，以在其表面构筑粗糙结构并进行表面修饰。对浸泡处理后的铝合金用去离子水清洗，去除残余反应剂，最后置于箱式电炉中加热到60℃固化1小时，后取出空冷。
试样在经过一步浸泡法处理后，经检测，样品与水的接触角为159°(处理前为52°)，相应的水滴在样品表面的状态如图7所示。黏附性情况如图8所示。
实施例4
一种铝合金超疏水表面的一步浸泡处理方法，所述处理方法包括下列步骤：
(1) 将铝合金浸泡在盐酸、长链脂肪酸及乙醇的混合溶液中，浸泡水浴温度为30℃~70℃，浸泡时间为5min~25min，所述混合溶液中的盐酸、长链脂肪酸及乙醇的质量比为：30~50∶2~10∶40~68，所述的长链脂肪酸至少包括豆蔻酸和棕榈酸中的一种，在本实施例中，浸泡水浴温度为30℃、44℃或70℃，浸泡时间为5min、22min或25min，所述混合溶液中的盐酸、长链脂肪酸及乙醇的质量比为：30∶2∶68、35：8：57或50∶10∶40，
(2) 将化学浸泡处理后的铝合金经去离子水清洗后，置于箱式电炉中，在50℃~90℃下固化处理0.5~1.5小时，在本实施例中，可选择50℃、75℃或90℃下固化处理0.5、1.0或1.5小时，后取出空冷。
Claims (1)
1. 一种铝合金超疏水表面的一步浸泡处理方法，其特征在于所述处理方法包括下列步骤：
（1） 将铝合金浸泡在盐酸、长链脂肪酸及乙醇的混合溶液中，浸泡水浴温度为30℃~70℃，浸泡时间为5min~25min，所述混合溶液中的盐酸、长链脂肪酸及乙醇的质量比为： 30~50∶2~10∶40~68，所述的长链脂肪酸为豆蔻酸、棕榈酸或豆蔻酸与棕榈酸的混合液，
（2） 将化学浸泡处理后的铝合金经去离子水清洗后，置于箱式电炉中，在50℃~90℃下固化处理0.5~1.5小时，后取出空冷。
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