鋁材表面超疏水薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁材表面超疏水薄膜及其制備方法，包括如下步驟：(1)將鋁材置于電解液中作為陽極，在電流密度為0.1～0.5A·cm-2條件下進(jìn)行陽極氧化，時(shí)間為1-20min，得到陽極氧化后的鋁表面；(2)將陽極氧化后的鋁表面在含有氟硅烷的乙醇溶液中浸泡至少1min，然后將工件在100-200℃進(jìn)行熱處理，處理5-40min后自然冷卻，得到鋁材表面超疏水薄膜。本發(fā)明超疏水表面制備方法簡單，成本低廉，易于工業(yè)化。制備的超疏水表面接觸角超過150°，滾動(dòng)角低于10°，疏水性穩(wěn)定。該表面不僅具有非常好的超疏水和自清潔功能，而且具有優(yōu)異的耐磨、防腐蝕功能。
【專利說明】鋁材表面超疏水薄膜及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在各種大小和形狀各異的鋁材表面獲得長期穩(wěn)定的超疏水薄膜的方法，所獲得的超疏水表面不僅具有非常好的超疏水和自清潔功能，而且具有優(yōu)異的耐摩擦和防腐蝕功能。

【背景技術(shù)】
[0002]鋁是自然界中分布最廣泛的金屬元素，其比強(qiáng)度高、比重小等優(yōu)點(diǎn)，使得鋁材在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。雖然鋁在空氣中具有較好的耐蝕性，但是鋁的化學(xué)活潑性使其在濕度較大的環(huán)境下或海水中容易受到腐蝕，這限制了鋁材在工業(yè)上的應(yīng)用。而超疏水表面(材料表面與水接觸角大于150° )具有特殊的潤濕特性，使其在防水、防霧、防污染、防結(jié)冰、防腐蝕和自清潔以及生物醫(yī)學(xué)和仿生材料應(yīng)用、流體減阻節(jié)能、電力輸送塔架和電纜在冬季防冰雪等許多方面都有潛在應(yīng)用前景，因此受到來自工業(yè)界和科研界科研人員的廣泛關(guān)注。當(dāng)水滴在超疏水表面的滾動(dòng)角小于10°時(shí)，液滴在超疏水表面滾動(dòng)的過程中吸附污染物并將其帶離表面，從而達(dá)到清潔的目的。超疏水表面具有自清潔、抑制表面腐蝕等特性，因此在鋁材表面制備超疏水薄膜具有深遠(yuǎn)的意義。材料表面的潤濕性取決于材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。目前，化學(xué)刻蝕、電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積、硬質(zhì)陽極氧化和等尚子體等方法可用于在招材表面制備具有超疏水功能的表面。申請?zhí)枮?01110282445.X公開了一種制備鋁基多孔超疏水表面的陽極氧化方法，所用的電解液是硫酸、重絡(luò)酸鉀、草酸、氯化鈉和干油，所用的表面涂覆材料為硬脂酸、乙醇。申請?zhí)枮?01210483659.8公開了一種金屬表面超疏水招表面制備方法，在活性金屬基磁控派射招鍍層表面構(gòu)建微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后在十四酸中浸泡一段時(shí)間，獲得超疏水鋁表面。申請?zhí)枮?01210160825.0公開了一種超疏水鋁及其制備方法，首先在鋁表面構(gòu)造出微米級突起、孔洞以及納米級鱗片狀的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，再經(jīng)低表面能的全氟辛酸修飾后獲得超疏水性能。申請?zhí)枮?01310739501.7公開了一種超疏水鋁及鋁合金表面的制備方法，在常溫常壓下將鋁或鋁合金在含有偏鋁酸鈉和尿素的水溶液中處理，獲得粗糙表面，然后在一定溫度下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，將疏水化合物修飾在其表面，獲得超疏水鋁及鋁合金表面。然而這些公開專利并未涉及所獲超疏水表面的耐腐蝕及耐摩擦性能。而具有良好的耐腐蝕及耐摩擦性能是超疏水工件能在實(shí)際的工業(yè)上應(yīng)用的重要關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明專利提供了一種鋁材表面超疏水薄膜及其制備方法，采用簡單陽極氧化和熱處理方法，可在各種大小和形狀各異的鋁材表面制備具有接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°的超疏水自清潔表面，該表面還具有優(yōu)異的耐腐蝕和耐摩擦性能。
[0004]鋁材表面超疏水薄膜的制備方法，包括如下步驟:
[0005](I)將鋁材置于電解液中作為陽極，所述電解液為濃度0.05~2.0mol.l1的中性鹽水溶液，在電流密度為0.1~0.5A.cm_2條件下進(jìn)行陽極氧化，時(shí)間為l_20min，得到陽極氧化后的鋁表面；
[0006](2)將陽極氧化后的鋁表面在含有氟硅烷的乙醇溶液中浸泡至少lmin，然后將工件在80-200°C進(jìn)行熱處理，處理5-40min后自然冷卻，得到鋁材表面超疏水薄膜。
[0007]所述電解液是氯化鈉、氯化鉀、硫酸鈉和硫酸鉀中的一種或兩者以上的水溶液。
[0008]步驟(1)所述電解液的濃度為0.1~1.0mol.?Λ電流密度為0.2~0.4Α.αι-2，氧化時(shí)間為1-1Omin。
[0009]所述氟硅烷的乙醇溶液中氟硅烷體積百分含量為0.5% -10%。
[0010]所述氟硅烷包括十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基二甲氧基硅烷和十二氟羊基二乙氧基硅烷中的一種或兩種以上。
[0011]步驟(2)在室溫下浸泡，浸泡時(shí)間為Ι-lOmin，熱處理溫度為100_150°C，處理時(shí)間為 10_30min。
[0012]所述鋁片還經(jīng)砂紙打磨、洗凈和吹干的預(yù)處理。
[0013]所述砂紙為600~1000目SiC水砂紙。
[0014]步驟(1)得到的陽極氧化后的鋁表面還經(jīng)水洗和干燥處理。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1、本發(fā)明的制備方法可在各種大小和形狀各異的鋁材表面制備超疏水表面，該表面不僅具有非常好的超疏水和自清潔功能，而且具有優(yōu)異的耐磨、防腐蝕功能。同時(shí)該方法處理工藝簡單，操作方便；能耗少，成本低；綠色環(huán)保，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0017]2、本發(fā)明制備方法不需要復(fù)雜的加工設(shè)備，制備過程簡單，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶、化學(xué)行業(yè)及建筑行業(yè)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
[0018]3、本發(fā)明陽極氧化所用電解液成分簡單，對環(huán)境友好。氧化工藝簡單可控，不含腐蝕性物質(zhì)，氧化過程可在室溫下進(jìn)行。
[0019]4、本發(fā)明熱處理方法簡單，所用化學(xué)試劑成分簡單，成本低廉。
[0020]5、本發(fā)明制備的超疏水表面疏水性能穩(wěn)定，將其在空氣及室溫條件下放置幾個(gè)月后，其表面的超疏水性能無明顯變化，并且具有優(yōu)異的耐摩擦和耐腐蝕性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021 ]圖1為實(shí)施例1制備超疏水表面的接觸角圖；
[0022]圖2為實(shí)施例2制備超疏水表面的接觸角圖；
[0023]圖3為實(shí)施例3制備超疏水表面的接觸角圖；
[0024]圖4為實(shí)施例4制備超疏水表面的接觸角圖；
[0025]圖5為實(shí)施例5制備超疏水表面的接觸角圖；
[0026]圖6為實(shí)施例6制備超疏水表面的接觸角圖。
[0027]具體實(shí)例方式
[0028]下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍不限于此。
[0029]實(shí)施例1
[0030]將鋁片基材用800目砂紙打磨后用純凈水沖洗，吹干，作為陽極，以同樣尺寸鋁片作為陰極。在以0.2mol噸-1氯化鈉水溶液為電解液，電流密度為0.4A ^nT2條件下進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為7min。反應(yīng)完后將氧化招材取出，用水清洗,吹干。然后，將氧化鋁材在體積濃度為10%的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中浸泡5min，浸泡后取出樣品置于烘箱中在100°C條件下處理30min在鋁基材表面獲得超疏水薄膜。測試該表面的疏水、耐腐蝕和耐摩擦性能，結(jié)果如表1所示，其接觸角圖如圖1所示。
[0031]實(shí)施例2
[0032]將鋁片基材用1000目砂紙打磨后用純凈水沖洗，吹干，作為陽極，以同樣尺寸鋁片作為陰極。在以0.1mol -L-1氯化鉀水溶液為電解液，電流密度為0.3A*cm-2條件下進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為5min。反應(yīng)完后將氧化鋁材取出，用水清洗，吹干。然后，將氧化鋁材在體積濃度為1%的十三氟辛基三甲氧基硅烷乙醇溶液中浸泡7min，浸泡后取出樣品置于烘箱中在130°C條件下處理1min在鋁基材表面獲得超疏水薄膜。測試該表面的疏水、耐腐蝕和耐摩擦性能，結(jié)果如表1所示，其接觸角圖如圖2所示。
[0033]實(shí)施例3
[0034]將鋁片基材用600目砂紙打磨后用純凈水沖洗，吹干，作為陽極，以同樣尺寸鋁片作為陰極。在以0.3mol.L-1硫酸鈉水溶液為電解液，電流密度為0.3A ^nT2條件下進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為9min。反應(yīng)完后將氧化招材取出，用水清洗,吹干。然后，將氧化鋁材在體積濃度為5%的十七氟癸基三甲氧基硅烷乙醇溶液中浸泡lOmin，浸泡后取出樣品置于烘箱中在110°C條件下處理15min在鋁基材表面獲得超疏水薄膜。測試該表面的疏水、耐腐蝕和耐摩擦性能，結(jié)果如表1所示，其接觸角圖如圖3所示。
[0035]實(shí)施例4
[0036]將鋁片基材用800目砂紙打磨后用純凈水沖洗，吹干，作為陽極，以同樣尺寸鋁片作為陰極。在以0.4mol -T1硫酸鉀水溶液為電解液，電流密度為0.2A*cm-2條件下進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為5min。反應(yīng)完后將氧化招材取出，用水清洗,吹干。然后，將氧化鋁材在體積濃度為8%的十三氟辛基三乙氧基硅烷溶液中浸泡3min，浸泡后取出樣品置于烘箱中在150°C條件下處理1min在鋁基材表面獲得超疏水薄膜。測試該表面的疏水、耐腐蝕和耐摩擦性能，結(jié)果如表1所示，其接觸角圖如圖4所示。
[0037]實(shí)施例5
[0038]將鋁片基材用800目砂紙打磨后用純凈水沖洗，吹干，作為陽極，以同樣尺寸鋁片作為陰極。在以0.3mol.L-1氯化鈉水溶液為電解液，電流密度為0.3A ^nT2條件下進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為7min。反應(yīng)完后將氧化招材取出，用水清洗,吹干。然后，將氧化鋁材在體積濃度為10%的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中浸泡5min，浸泡后取出樣品置于烘箱中在100°C條件下處理25min在鋁基材表面獲得超疏水薄膜。測試該表面的疏水、耐腐蝕和耐摩擦性能，結(jié)果如表1所示，其接觸角圖如圖5所示。
[0039]實(shí)施例6
[0040]將鋁片基材用1000目砂紙打磨后用純凈水沖洗，吹干，作為陽極，以同樣尺寸鋁片作為陰極。在以0.4mol *L_1硫酸鈉水溶液為電解液，電流密度為0.4A.cnT2條件下進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為9min。反應(yīng)完后將氧化鋁材取出，用水清洗，吹干。然后，將氧化鋁材在體積濃度為5%的十七氟癸基三甲氧基硅烷乙醇溶液中浸泡lmin，浸泡后取出樣品置于烘箱中在120°C條件下處理20min在鋁基材表面獲得超疏水薄膜。測試該表面的疏水、耐腐蝕和耐摩擦性能，結(jié)果如表1所示，其接觸角圖如圖6所示。[0041 ] 表1各種實(shí)例制備的超疏水表面性能(耐摩擦性指超疏水表面用800目砂紙摩擦I米后仍保持超疏水性所能忍受的最大壓力；耐腐蝕性指在3.5wt% NaCl水溶液中測試的電化學(xué)腐蝕率)
[0042]

【權(quán)利要求】
1.鋁材表面超疏水薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將鋁材置于電解液中作為陽極，所述電解液為濃度0.05~2.0mol.I/1的中性鹽水溶液，在電流密度為0.1~0.5A.cm—2條件下進(jìn)行陽極氧化，時(shí)間為l_20min，得到陽極氧化后的鋁表面； (2)將陽極氧化后的鋁表面在含有氟硅烷的乙醇溶液中浸泡至少lmin，然后將工件在80-200°C進(jìn)行熱處理，處理5-40min后自然冷卻，得到鋁材表面超疏水薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述電解液是氯化鈉、氯化鉀、硫酸納和硫酸鐘中的一種或兩者以上的水溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述電解液的濃度為0.1~1.0mol.L 1J電流密度為0.2~0.4A.cm2，氧化時(shí)間為1-1Omin0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氟硅烷的乙醇溶液中氟硅烷體積百分含量為0.5% -10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的制備方法，其特征在于，所述氟硅烷包括十七氟癸基二乙氧基硅烷、十七氟癸基二甲氧基硅烷、十二氟羊基二甲氧基硅烷和十二氟羊基二乙氧基硅烷中的一種或兩種以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所浸泡時(shí)間為Ι-lOmin，熱處理溫度為100-150°C，處理時(shí)間為10_30min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的制備方法，其特征在于，所述鋁片還經(jīng)砂紙打磨、洗凈和吹干的預(yù)處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述砂紙為600~1000目SiC水砂紙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)得到的陽極氧化后的鋁表面還經(jīng)水洗和干燥處理。
10.由權(quán)利要求1-9任一所述方法制備得到的鋁材表面超疏水薄膜。
【文檔編號】C25D11/04GK104131322SQ201410331901
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】蘇峰華, 劉燦森 申請人:華南理工大學(xué)