金属锌表面超疏水薄膜的制备及其摩擦学性能

金属锌表面超疏水薄膜的制备及其摩擦学性能

万勇;王中乾;刘义芳

【摘要】通过简单两步法在金属锌表面构筑超疏水薄膜,锌片首先经N,N-二甲基甲酰胺(DMF)处理在表面构筑微纳结构薄膜,然后在表面覆盖硬脂酸薄膜以实现超疏水.采用扫描电子显微镜,傅里叶红外光谱仪和接触角测量仪等手段表征了超疏水表面的形成机制和表面形貌,并利用微纳米摩擦磨损试验机研究了超疏水薄膜的减摩耐磨特性.研究结果发现,在锌表面形成了一层纳米棒状结构的超疏水薄膜,水的接触角可达155°.超疏水薄膜具有明显的减摩和耐磨特性,这可归因于DMF处理导致的表面微织构化效应以及脂肪酸自组装薄膜的纳米润滑效应.%The super-hydrophobic films on Zinc (Zn) substrate were fabricated by a simple two-step process. Firstly, nano-structured film was created to roughen Zn surface by solution oxidation process in the presence of N, N,-dimethylformamide (DMF). Resultant roughened Zn surface was then overcoated with stearic acid to achieve superhydrophobicity. Scanning electron microscope, FT-IR microscope and water contact angle measurement were performed to characterize the morphological feature, chemical composition and super-hydrophobicity of the surface. The resulting surfaces with uniform and packed nanorod structure have a water contact angle as high as about 155° and provide effective friction-reducing and wear protection for Zn substrate, due to the combined beneficial effects of nanotexturing of DMF treatment and nanolubrication of self-assembled stearic acid overcoat.

【期刊名称】《无机材料学报》

【年(卷),期】2012(027)004

【总页数】5页(P390-394)

【关键词】超疏水;锌;摩擦;薄膜

【作者】万勇;王中乾;刘义芳

【作者单位】青岛理工大学机械工程学院,青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,青岛266033

【正文语种】中文

【中图分类】O64

超疏水材料具有很低的表面自由能和很好的抗粘附性能, 在自清洁材料、微流体器件、流体减阻等领域表现出良好的应用前景[1-9]. 获得各种材料的超疏水表面是实际应用的前提, 而制备方法的探索则成为目前超疏水材料研究的主要内容. 目前大多数制备方法采用两步法: 首先通过各种物理或化学手段获得微纳分形结构表面, 然后在表面涂覆低表面能化合物以实现超疏水[6-9].

金属锌或锌合金具有比重大、熔点低、铸造性能好、可进行表面处理等优点, 在汽车配件、机电配件、机械零件、电器元件等领域得到了广泛应用,然而其耐腐蚀性能及耐磨性能较差. 虽已有报道在金属锌表面构筑的超疏水表面表现出良好的耐腐蚀性能[10], 然而对其减摩和耐磨性能的研究还未见于相关文献, 而这对于超疏水薄膜的实际应用很重要.

最近的研究发现, 在金属锌表面构筑的超疏水薄膜表现出明显的减摩和抗磨特性

[11]. 但是使用的有机硅烷价格较高, 实验操作困难, 而脂肪酸易于得到, 并可作为低表面能修饰剂构筑超疏水表面[12-15], 另外脂肪酸长久以来一直作为润滑剂而使用[16-18]. 本工作使用硬脂酸在金属锌表面制备超疏水薄膜, 同时研究了制备条件对超疏水薄膜的减摩及抗磨性能的影响.

1 实验部分

1.1 薄膜的制备

把厚度为0.25 mm锌片(分析纯, 纯度99.99%,天津市风船化学试剂科技有限公司)切成10 mm× 10 mm 的锌片, 分别用无水乙醇(分析纯, 纯度99.7%, 烟台三和化学试剂有限公司)和去离子水(实验室自制) 超声清洗15 min, 用氮气吹干后备用. 将清洗后的锌片浸泡在 4vol%的 N, N-二甲基甲酰胺(DMF, 分析纯, 纯度 99.5%, 上海埃彼化学试剂有限公司)溶液中, 65℃下恒温保持 24 h. 取出后用去离子水和无水乙醇洗涤, 氮气吹干.

将 DMF处理后的锌片浸泡在硬脂酸(分析纯,天津市瑞金特化学品有限公司) 的乙醇溶液中, 浓度为 0.001 mol/L, 在室温下静置一段时间后取出,用无水乙醇彻底清洗后氮气吹干.

1.2 薄膜的表征

在室温(约25℃)和相对湿度 40%~50%的条件下, 用接触角测定仪(CAM101, KSV Instruments LTD)测量样品的水接触角, 在每个样品上的不同位置测量 5个点, 取平均值. 薄膜的表面形貌在日本Hitachi S-3500N型扫描电子显微镜上进行. 采用美国Nicolet iN10. Nicolet 6700型红外光谱仪对薄膜的微观结构进行表征.

利用微观摩擦磨损试验机(UMT-3, 美国 CETR公司)测定薄膜的摩擦磨损特性, 对偶件为φ4 mm轴承钢球, 在室温下进行, 相对湿度保持在 40%~ 50%. 采用的实验参数为: 载荷为 0.5 N, 往复行程6 mm, 频率2 Hz. 实验过程中摩擦系数由计算机自动记录, 当摩擦系数突然增大时认为薄膜开始破坏,摩擦系数达到 0.8时(即未