CN104630756A - 在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特点是通过有效调控化学氧化工序中化学氧化溶液中氧化剂、活化剂、PH调节剂、助剂含量及氧化温度、时间所获得的高导热亲水纳米陶瓷膜。由此，可以在铝表面形成厚度为 0.01至100μm的高导热亲水纳米陶瓷膜的，且与水的接触角为0至30o。并且，采用的陶瓷膜导热率为0.1-50 W/(m·K)，远高于传统有机亲水涂层，耐温性强。同时，其可耐600度高温，阻燃，且与铝基底结合牢固，即使采用30分钟超声波清洗也不脱落，极大提高了应用性。

Description

在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法

技术领域

 本发明涉及一种铝表面形成陶瓷膜的方法，尤其涉及一种在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法。

背景技术

 空调热交换器工作时，会因为水蒸气在翅片表面的凝结形成“水桥”，因此影响传热和空气的流动。同时，翅片在长期使用过程中，会因为受腐蚀而形成“白粉”，使其寿命受到影响。为解决“水桥”和“白粉”的问题，对翅片表面进行亲水处理，使翅片表面生成具有亲水性的耐腐蚀薄膜，使凝结的水滴在表面迅速扩散，形成极薄的水膜，避免形成“水桥”，减少风阻，并防止氧化，增大热交换面积，加快制冷制热速度，还有效避免冷凝水阻碍空气流动而产生的噪音。

翅片用亲水铝箔要求其表面涂层亲水性高、附着力强、抗蚀性高、抗热性好及良好的加工成型性等。亲水涂层主要有三大系列：有机亲水涂层、有机无机复合亲水涂层及无机亲水涂层，目前使用较多的是有机亲水涂层。有机亲水涂层其亲水性能依赖于亲水树脂中的—OH基、—NH2基、—COOH基等亲水官能团。在涂布亲水树脂时，大多添加少量界面活性剂，以提高亲水效果。树脂亲水涂层的优点是：磨具磨损率低，空调运行时没有臭味，缺点是抗蚀性较低，与铜管钎焊时，散热板端部翅片表面会变成黄色。有机无机复合亲水涂料是由亲水性树脂和少量的硅酸盐或可溶性硅胶组成的，该涂料成膜的亲水性、耐蚀性及无臭味性等主要由有机高分子化合物提供，加入的硅酸盐／硅胶可进一步提高其亲水性或调节其硬度，但涂料中的硅酸盐致使涂膜发出似泥的臭味。传统无机亲水涂膜价格便宜，涂膜的亲水性好，但涂膜的耐蚀、无臭味性差，且加工时易磨损模具。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其包括以下步骤：步骤①，对铝表面进行除油工序，即用碱性除油溶液除去金属铝表面的油脂。步骤②，酸蚀工序，即用酸液除去金属铝表面的氧化层及残留的碱性除油溶液。步骤③，化学氧化工序，即用一定配比的氧化液，促进金属铝表面生成亲水性纳米陶瓷膜。步骤④，干燥工序，即取出经化学氧化后的样品，经去离子水进行冲洗后进行干燥，最终在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜。

上述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其中：所述的碱性除油溶液由碱液20至50g/L，磷酸盐15至25g/L，硅酸盐3至5g/L，碳酸盐1至2g/L组成，其中，所述的碱液为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钡中的一种或是多种，所述的磷酸盐为磷酸钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢钠中的一种或是多种，所述的硅酸盐为硅酸钾、硅酸钠中的一种或是多种，所述的碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠中的一种或是多种。

进一步地，上述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其中：所述的除油工序中，采用的处理温度为50至80℃，处理时间为5至10min。

更进一步地，上述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其中：所述的酸蚀工序中，酸液为强酸，用量为100至150 g/L，温度为30至40℃，时间为2至5min。

更进一步地，上述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其中：所述的强酸为硝酸、硫酸、盐酸、偏磷酸中的一种或是多种。

更进一步地，上述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其中：所述的化学氧化工序中氧化液的配比为，氧化剂0.25至0.85g/L，活化剂0.15至0.25g/L，溶液PH调节剂0.025至0.05 g/L，助剂0.005至0.01 g/L组成。

再进一步地，上述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其中：所述的氧化剂为过氧化氢、过氧乙酸、过硫酸铵、次氯酸钠、过碳酸钠、过硼酸钾中的一种或是多种，所述的活化剂为氟硅酸钠、硫酸铵、氯化铵、硫酸亚铁、氢氧化铵中的一种或是多种，所述的溶液PH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、硝酸、硫酸、硼酸、磷酸中的一种或是多种，所述的助剂为聚乙烯磺酸钠、聚丙烯酸钠(盐)、1，5-萘二磺酸二钠盐水合物、2，6-二硝基-4-三氟甲基苯磺酸钠、4-氯-1-羟基-丁烷磺酸钠、2-巯基苯并咪唑-5-磺酸钠二水合物、N，N-二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠、聚茴香磺酸钠、2-硝基苯胺-4-磺酸钠盐中的一种或是多种组合。

本发明技术方案的优点主要体现在：适用于铝、铝合金及相关制品。可以在铝表面形成厚度为 0.01至100μm的高导热亲水纳米陶瓷膜的，且与水的接触角为0至30o。并且，采用的陶瓷膜导热率为0.1-50 W/(m·K)  ，远高于传统有机亲水涂层，耐温性强。同时，其可耐600度高温，阻燃，且与铝基底结合牢固，即使采用30分钟超声波清洗也不脱落，极大提高了应用性。这样，为本领域的技术进步拓展了空间，实施效果好。

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

具体实施方式

在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特别之处在于包括以下步骤：首先，对铝表面进行除油工序，即用碱性除油溶液除去金属铝表面的油脂。之后，进行酸蚀工序，即用酸液除去金属铝表面的氧化层及残留的碱性除油溶液。接着，进行化学氧化工序，即用一定配比的氧化液，促进金属铝表面生成亲水性纳米陶瓷膜。之后，进入干燥工序，即取出经化学氧化后的样品，经去离子水进行冲洗后进行干燥。最终，在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜。具体来说，氧化剂主要是促进纳米陶瓷膜的生长，以为氧化剂浓度过高，反应剧烈，成膜快，膜层颗粒粗大，附着力差，浓度过低，膜层薄甚至不能成膜。活化剂的作用是使铝表面在成膜过程中，不断地受到溶解，在纳米陶瓷膜中形成孔隙，保证纳米陶瓷膜的不断成长、增厚，浓度过高，溶解速度过快使铝表面形成的薄膜较疏松，不够致密均匀。PH调节剂稳定溶液酸碱度，控制化学反应速率。

就本发明一较佳的实施方式来看，为了能够有效去除表面污迹，尤其是油污，采用的碱性除油溶液配比如下，其采用碱液20至50g/L，磷酸盐15至25g/L，硅酸盐3至5g/L，碳酸盐1至2g/L组成。具体来说，为了便于制备，满足不同使用环境的需要，碱液为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钡中的一种或是多种。与之对应的是，磷酸盐为磷酸钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢钠中的一种或是多种。同时，硅酸盐为硅酸钾、硅酸钠中的一种或是多种。并且，所述的碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠中的一种或是多种。在实际实施的时候，考虑到能够起到较佳的除油效果，在除油工序中，采用的处理温度为50至80℃，处理时间为5至10min，可以保证无残留。

进一步来看，考虑到酸蚀后满足后续的加工要求，在酸蚀工序中，酸液为强酸，其用量为100至150 g/L，温度为30至40℃，时间为2至5min。并且，为了便于制备，尽可能减少加工成本，同时也可以满足不同酸蚀程度的加工需要，强酸为硝酸、硫酸、盐酸、偏磷酸中的一种或是多种。

再进一步来看，为了进行适度氧化，便于后续水纳米陶瓷膜的成型完整，化学氧化工序中氧化液的配比为：氧化剂0.25至0.85g/L，活化剂0.15至0.25g/L，溶液PH调节剂0.025至0.05 g/L，助剂0.005至0.01 g/L组成。结合实际制备来看，考虑到原料的可替换性，氧化剂为过氧化氢、过氧乙酸、过硫酸铵、次氯酸钠、过碳酸钠、过硼酸钾中的一种或是多种。同时，活化剂为氟硅酸钠、硫酸铵、氯化铵、硫酸亚铁、氢氧化铵中的一种或是多种。并且，为了起到PH数值根据需要进行有效的调节，溶液PH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、硝酸、硫酸、硼酸、磷酸中的一种或是多种。再者，考虑到不同助剂的使用需求不一样，本发明在制备过程中所采用的助剂为聚乙烯磺酸钠、聚丙烯酸钠(盐)、1，5-萘二磺酸二钠盐水合物、2，6-二硝基-4-三氟甲基苯磺酸钠、4-氯-1-羟基-丁烷磺酸钠、2-巯基苯并咪唑-5-磺酸钠二水合物、N，N-二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠、聚茴香磺酸钠、2-硝基苯胺-4-磺酸钠盐中的一种或是多种组合。

具体来说，本发明采用的助剂为磺酸化物中的一种或是多种，磺酸化物是一种具有独特作用的水溶性聚合物，大分子链上的磺酸基团，使其具有很强的浸润分散作用。由此，可使氧化剂、活化剂、PH调节剂均匀的分散与溶液中。并且，之所以采用磺酸化物的原因在于，其水溶性使其对化学氧化液的黏度有一定的调节作用，可降低溶液流动性。由此可见，能够使得氧化剂、活化剂均匀分散于金属铝表面，同时使金属铝表面与化学氧化溶液充分接触，从而促进纳米陶瓷薄膜的均匀生长。适量的磺化物可使铝表面与化学氧化液之间的界面状态发生明显的变化，通过分子中不同部分分别对于两相的亲和，使两相均将其看作本相的成分，由于两相都将其看作本相的一个组分，就相当于两个相与表面活性剂分子都没有形成界面，就相当于通过这种方式部分的消灭了两个相的界面，就降低了表面张力和表面自由能，其有效的提高了纳米陶瓷膜的亲水性。

并且，考虑到不同的氧化工艺需求，在化学氧化工序中，采用的氧化时间为5至10min，氧化温度为50至90℃。并且，为了起到必要的干燥，保证在干燥工序中，通过放置于烘箱中进行干燥，且干燥温度为90-110℃。当然，通过多次对比试验后发现，干燥温度为100℃可以起到较佳的效果。

〖实施例一〗

在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其加工方式如下：首先，对铝表面进行除油工序，即用碱性除油溶液除去金属铝表面的油脂。之后，进行酸蚀工序，即用酸液除去金属铝表面的氧化层及残留的碱性除油溶液。接着，进行化学氧化工序，即用一定配比的氧化液，促进金属铝表面生成亲水性纳米陶瓷膜。之后，进入干燥工序，即取出经化学氧化后的样品，经去离子水进行冲洗后进行干燥。最终，在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜。

具体来说，本实施例采用的碱性除油溶液配比如下，其采用碱液为20 g/L、磷酸盐15 g/L，硅酸盐3 g/L，碳酸盐1 g/L组成。同时，碱液为氢氧化钾，磷酸盐为磷酸钾，硅酸盐为硅酸钾，碳酸盐为碳酸钠。在除油工序中，采用的处理温度为50℃，处理时间为5min。

同时，在酸蚀工序中，酸液为强酸，其用量为100 g/L，温度为30至℃，时间为2 min。并且，为了便于制备，强酸为硝酸。

为了进行适度氧化，化学氧化工序中氧化液的配比为：氧化剂0.25 g/L，活化剂0.15 g/L，溶液PH调节剂0.025 g/L，助剂0.005 g/L组成。结合实际制备来看，考虑到原料的可替换性，氧化剂为过氧化氢，活化剂为氟硅酸钠。并且，溶液PH调节剂为氢氧化钠，采用的助剂为聚乙烯磺酸钠、。

并且，考虑到不同的氧化工艺需求，在化学氧化工序中，采用的氧化时间为5min，氧化温度为50℃。通过放置于烘箱中进行干燥，且干燥温度为90℃。 

〖实施例二〗

在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其加工方式如下：首先，对铝表面进行除油工序，即用碱性除油溶液除去金属铝表面的油脂。之后，进行酸蚀工序，即用酸液除去金属铝表面的氧化层及残留的碱性除油溶液。接着，进行化学氧化工序，即用一定配比的氧化液，促进金属铝表面生成亲水性纳米陶瓷膜。之后，进入干燥工序，即取出经化学氧化后的样品，经去离子水进行冲洗后进行干燥。最终，在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜。

具体来说，本实施例采用的碱性除油溶液配比如下，其采用碱液为50 g/L、磷酸盐25 g/L，硅酸盐5g/L，碳酸盐2 g/L组成。同时，碱液为氢氧化钠，磷酸盐为磷酸氢钾，硅酸盐为硅酸钠，碳酸盐为碳酸氢钾。在除油工序中，采用的处理温度为80℃，处理时间为10min。

同时，在酸蚀工序中，酸液为强酸，其用量为150 g/L，温度为40至℃，时间为5 min。并且，为了便于制备，强酸为硫酸。

为了进行适度氧化，化学氧化工序中氧化液的配比为：氧化剂0.85 g/L，活化剂0.25 g/L，溶液PH调节剂0.05 g/L，助剂0.01 g/L组成。结合实际制备来看，考虑到原料的可替换性，氧化剂为过氧乙酸，活化剂为氯化铵。并且，溶液PH调节剂为氢氧化钡，采用的助剂为1，5-萘二磺酸二钠盐水合物。

并且，考虑到不同的氧化工艺需求，在化学氧化工序中，采用的氧化时间为10min，氧化温度为90℃。通过放置于烘箱中进行干燥，且干燥温度为110℃。

〖实施例三〗

在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，所采用的加工方式如下：首先，对铝表面进行除油工序，即用碱性除油溶液除去金属铝表面的油脂。之后，进行酸蚀工序，即用酸液除去金属铝表面的氧化层及残留的碱性除油溶液。接着，进行化学氧化工序，即用一定配比的氧化液，促进金属铝表面生成亲水性纳米陶瓷膜。之后，进入干燥工序，即取出经化学氧化后的样品，经去离子水进行冲洗后进行干燥。最终，在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜。

具体来说，本实施例采用的碱性除油溶液配比如下，其采用碱液为30 g/L、磷酸盐20 g/L，硅酸盐4g/L，碳酸盐1.5 g/L组成。同时，碱液为氢氧化钙，磷酸盐为磷酸钠，硅酸盐为硅酸钠，碳酸盐为硅酸钠。在除油工序中，采用的处理温度为70℃，处理时间为9min。

同时，在酸蚀工序中，酸液为强酸，其用量为120 g/L，温度为35至℃，时间为4 min。并且，为了便于制备，强酸为盐酸。

为了进行适度氧化，化学氧化工序中氧化液的配比为：氧化剂0.7 g/L，活化剂0.2 g/L，溶液PH调节剂0.03 g/L，助剂0.009 g/L组成。结合实际制备来看，考虑到原料的可替换性，氧化剂为过硫酸铵，活化剂为硫酸亚铁。并且，溶液PH调节剂为硝酸，采用的助剂为聚茴香磺酸钠。

并且，考虑到不同的氧化工艺需求，在化学氧化工序中，采用的氧化时间为8min，氧化温度为60℃。通过放置于烘箱中进行干燥，且干燥温度为100℃。

通过上述的文字表述可以看出，采用本发明后，可以在铝表面形成厚度为 0.01至100μm的高导热亲水纳米陶瓷膜的，且与水的接触角为0至30o。并且，采用的陶瓷膜导热率为0.1-50 W/(m·K)  ，远高于传统有机亲水涂层，耐温性强。同时，其可耐800度高温，阻燃，且与铝基底结合牢固，即使采用30分钟超声波清洗也不脱落，极大提高了应用性。

更为重要的是，通过本发明的方法能够调控化学氧化工序中化学氧化溶液中氧化剂、活化剂、PH调节剂、助剂含量及氧化温度、时间所获得的高导热亲水纳米陶瓷膜厚度均匀，亲水性强，附着力强及耐蚀性强。

Claims (9)

1.在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤①，对铝表面进行除油工序，即用碱性除油溶液除去金属铝表面的油脂；

步骤②，酸蚀工序，即用酸液除去金属铝表面的氧化层及残留的碱性除油溶液；

步骤③，化学氧化工序，即用一定配比的氧化液，促进金属铝表面生成亲水性纳米陶瓷膜；

步骤④，干燥工序，即取出经化学氧化后的样品，经去离子水进行冲洗后进行干燥，最终在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜。

2.根据权利要求1所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的碱性除油溶液由碱液20至50g/L，磷酸盐15至25g/L，硅酸盐3至5g/L，碳酸盐1至2g/L组成，其中，所述的碱液为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钡中的一种或是多种，所述的磷酸盐为磷酸钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢钠中的一种或是多种，所述的硅酸盐为硅酸钾、硅酸钠中的一种或是多种，所述的碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠中的一种或是多种。

3.根据权利要求1所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的除油工序中，采用的处理温度为50至80℃，处理时间为5至10min。

4.根据权利要求1所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的酸蚀工序中，酸液为强酸，用量为100至150 g/L，温度为30至40℃，时间为2至5min。

5.根据权利要求4所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的强酸为硝酸、硫酸、盐酸、偏磷酸中的一种或是多种。

6.根据权利要求1所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的化学氧化工序中氧化液的配比为，氧化剂0.25至0.85g/L，活化剂0.15至0.25g/L，溶液PH调节剂0.025至0.05 g/L，助剂0.005至0.01 g/L组成。

7.根据权利要求6所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的氧化剂为过氧化氢、过氧乙酸、过硫酸铵、次氯酸钠、过碳酸钠、过硼酸钾中的一种或是多种，所述的活化剂为氟硅酸钠、硫酸铵、氯化铵、硫酸亚铁、氢氧化铵中的一种或是多种，所述的溶液PH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、硝酸、硫酸、硼酸、磷酸中的一种或是多种，所述的助剂为聚乙烯磺酸钠、聚丙烯酸钠(盐)、1，5-萘二磺酸二钠盐水合物、2，6-二硝基-4-三氟甲基苯磺酸钠、4-氯-1-羟基-丁烷磺酸钠、2-巯基苯并咪唑-5-磺酸钠二水合物、N，N-二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠、聚茴香磺酸钠、2-硝基苯胺-4-磺酸钠盐中的一种或是多种组合。

8.根据权利要求1所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的化学氧化工序中，采用的氧化时间为5至10min，氧化温度为50至90℃。

9.根据权利要求1所述的在铝表面形成高导热亲水纳米陶瓷膜的方法，其特征在于：所述的干燥工序中，放置于烘箱中进行干燥，且干燥温度为90-110℃。