铝合金表面构建超疏水性的化学改性机理
铝合金阳极氧化达到疏水效果
铝合金阳极氧化达到疏水效果
铝合金阳极氧化可以达到疏水效果的方法是通过在氧化过程中引入特殊的处理剂或改变工艺条件。
以下是一些常见的方法：
1. 添加疏水剂：在氧化液中加入特殊的疏水剂，如有机疏水剂或硅油等，可以使氧化层表面形成微小的凸起结构，从而增加表面的疏水性。
2. 改变工艺条件：通过调整氧化液的成分、温度、电流密度等工艺条件，可以控制氧化层的微观结构，从而实现疏水效果。
例如，在酸性氧化液中，通过控制电流密度和温度，可以形成致密的氧化层，从而提高疏水性。
3. 表面处理：在氧化后，可以进一步对氧化层进行表面处理，如喷涂疏水性涂料或进行纳米级的表面处理，以进一步提高疏水效果。
需要注意的是，虽然铝合金阳极氧化可以实现一定的疏水效果，但由于氧化层的微观结构和化学成分的限制，其疏水性可能不如一些特殊的材料或表面涂层。
因此，在实际应用中，还需要综合考虑其他因素，如耐腐蚀性、机械性能等。
铝合金超疏水性研究
铝合金超疏水性研究superhydropHobic当液体与固体接触时，液体会沿着固体表面向外扩展，同时系统中原来的固气界面和液气界面逐渐地被新的固液界面取代，这一过程称为润湿。
液体对固体表面润湿的程度称为固体表面的润湿性。
无论是基础研究还是在实际应用方面，浸润性都是影响固体表面性能的重要因素之一，其主要由几何结构和化学成分共同决定。
接触角和滚动角的大小是衡量表面浸润性最常规的标准。
表面的浸润性与许多物理化学过程，如吸附、润滑、粘合、分散和摩擦等密切相关。
在催化、采油、选矿、润滑、涂饰、防水和生物医用材料等众多领域中，表面浸润性都有着重要的应用。
超疏水表面是指具有非常高的水接触角，且水滴能轻易流动的表面，具有特殊黏附性的超疏水性表面在自清洁、防雪防雾、防腐抗阻、微流体芯片、无损失液体输送等方面都表现出了极为诱人的应用前景。
例如，超疏水界面材料用在室外天线表面可防积雪，从而保证高质量信号的接收；超双疏界面材料可涂在轮船的外壳、燃料储备箱表面，可达到防污、防腐的效果；用于石油管道的运输过程中，可防止石油在管道壁黏滞，从而减少运输过程中的损耗及能量消耗，并防止管道堵塞；用于水中运输工具或水下核潜艇表面，可减少水的阻力，提高行驶速度；用于微量注射器针尖上，可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由此带来的针尖污染；也可以用它来修饰纺织品，做防水和防污的服装等。
水滴与荷叶表面的静态接触角达到了惊人的161º已有的研究表明，影响固体表面浸润性的因素主要有两个：一是表面自由能，二是表面粗糙度。
当表面自由能降低时，疏水性能就会得到增强。
然而，即使是具有最低表面能的光滑固体表面与水的接触角也才接近120°。
而且，由于表面能是材料的固有特征，因此为了得到更好的疏水效果，改变表面粗糙度就变得尤为重要。
从影响表面浸润性的主要因素可知，提高表面的粗糙度并降低其表面能可以显著地增强表面的疏水性。
这一原则在自然界中有着生动的体现，许多植物叶面、水禽羽毛都具有超疏水性。
铝合金基体上超疏水表面的制备及其性能_赵坤
第28卷 第3期Vo l .28 No .3材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of M aterials Science &Engineering 总第125期Jun .2010文章编号:1673-2812(2010)03-0448-05铝合金基体上超疏水表面的制备及其性能赵 坤1,2,杨保平1,2,张俊彦2(1.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050;2.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000) 【摘 要】 采用化学刻蚀的方法在铝合金基体上构筑出微纳米结构,并用乙基三氯硅烷进行硅烷化处理,制备出具有超疏水性质的表面。
水滴与表面的接触角可以达到159°,滚动角<1°。
用扫描电子显微镜(SEM )和X -光电子能谱(XPS )分别对所制备表面的形貌和元素进行了分析。
同时,考察了溶液浓度,修饰时间以及相对环境湿度对表面疏水效果的影响,并且考察了不同pH 值水溶液在其表面的接触角。
另外,对所制备的超疏水表面的稳定性和抗腐蚀性能也进行了测试。
结果表明:浓度为1.0mo l /L ,反应时间2.5h ,环境湿度40%～55%是最佳的制备条件。
该条件下制备的超疏水表面具有良好的稳定性和抗腐蚀性能。
【关键词】 超疏水;化学刻蚀;接触角;稳定性;耐蚀性中图分类号:TB383 文献标识码:APreparation and Performance of Super -HydrophobicSurface on an Aluminum AlloyZHA O Kun1,2,YANG Bao -ping1,2,ZHANG Jun -yan2(1.College of Petrochemical Technology ,Lanzho u University of Technology ,Lanzhou 730050,C hina ;2.State Key Laboratory ofSolid Lubrication ,Lanzhou Institute of Chemical Physics ,C hinese Academy of Sciences ,Lanzhou 730000,C hina )【Abstract 】 The aluminum alloy surfaces w ith micro -and nano structures w ere fabricated by chemical e tching method .A fter mo dificatio n w ith ethy lsilico ne ,the as -prepared surfaces show super -hydrophobicpro perties w ith a w ater contact angle of up to 159°and sliding ang le o f smaller than 1°.The images and elements o f the as -o btained surfaces w ere inve stig ated by scanning electro n micro scopy (SEM )and X -ray photoelectron spectroscopy (XPS ),respectively .M eanw hile ,the effects of the so lution concentration ,reaction time and relative humidity o n the super -hydrophobicity w ere investigated ,as w ell as the relatio nship betw een contact angle and pH value of the solutio n w as studied .Mo reo ver ,the stability and co rrosion resistance o f the super -hy dro phobic surfaces w ere also tested .The results show that the optimal preparation conditions are 1.0mol /L of ethy lsilico ne so lution concentration ,2.5h of reactio n time and 40%～55%of relative humidity .And all the as -prepared super -hy drophobic surfaces show lo ng time stability and cor ro sion resistance .【Key words 】 super -hydropho bic ;chemical etching ;contact ang le ;stability ;co rrosion resistance收稿日期:2009-09-28;修订日期:2009-11-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(50823008,20673131)和中国科学院“百人计划”资助项目作者简介:赵 坤(1984-),男,硕士研究生。
铝合金表面超疏水涂层的制备及其耐蚀性能
铝合金表面超疏水涂层的制备及其耐蚀性能李松梅*王勇干刘建华韦巍(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083)摘要：基于含氟聚氨酯和纳米SiO 2的协同作用,在铝合金表面成功制备了一层超疏水涂层.用红外光谱、扫描电镜和电化学测试等技术对超疏水涂层进行了表征和分析.红外光谱结果表明,硅烷偶联剂(A1100)成功键合到纳米SiO 2表面.扫描电镜和接触角测定仪对涂层的表面形貌表征结果表明,涂层表面存在微米⁃亚微米尺度的粗糙结构,接触角可达到156°,滚动角小于5°.电化学测试(交流阻抗和极化曲线)结果表明,所得到的涂层极大地提高了铝合金的耐蚀性能.关键词：超疏水；硅烷偶联剂；电化学测试；耐蚀性中图分类号：O648Preparation of Superhydrophobic Coating on Aluminum Alloy with ItsAnti 鄄Corrosion PropertyLI Song ⁃Mei *WANG Yong ⁃GanLIU Jian ⁃HuaWEI Wei(College of Material Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,P.R.China )Abstract ：Based on the cooperation of the fluorated polyurethane and nano silicon oxide,superhydrophobic coating was successfully fabricated on the surface of aluminium alloy.The superhydrophobic coating was characterized and investigated by FT ⁃IR 、SEM and electrochemical measurement.The FT ⁃IR result showed that silane coupling reagent (A1100)was grafted on the surface of the nano ⁃disilicon oxide.Scanning electronic microscopy(SEM)and optical contact angle meter(兹)indicated that rough structure was present on the surface of the coating,and the contact angle could reach up to 156°with sliding angle smaller than 5°.The results of electrochemical measurements (EIS and polarization curve)showed that anti ⁃corrosion property of aluminium alloy was greatly improved.Key Words ：Superhydrophobic;Silane coupling reagent;Electrochemical measurement;Anti ⁃corrosionproperty[Note]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.鄄Chim.Sin .,2007,23(10)：1631-1636Received:March 7,2007;Revised:July 2,2007;Published on Web:August 28,2007.∗Corresponding author.Email:Songmei_li@;Tel:+8610⁃82317103.ⒸEditorial office of Acta Physico ⁃Chimica Sinica在理论和实际运用中,表面润湿性是超疏水涂层体系的重要性能[1].自然界中许多植物都具有超疏水和自清洁性能,如荷叶表面具有超疏水性能,是由于表面微米范围的乳凸引起的粗糙度和蜡质层所引起的[2].Jiang 等[3]发现荷叶表面的微米乳凸上存在树枝状结构,这种微⁃纳米阶层结构就形成接触角很大、滚动角很小的超疏水表面.水滴能够以小水珠的形式在荷叶表面滚动并带走灰尘,这就是所谓的自清洁或超疏水性能(接触角大于150°,滚动角小于10°)[4-6].国内外学者在超疏水性能方面作了大量研究,如Favia 等[7]在调制射频辉光区沉积四氟乙烯后,接触角大于150°；Teshima 等[8]通过选择性氧等离子刻蚀和等离子增强化学气相沉积(CVD)得到超疏水表面；Ma 等[9]用一步电纺纱疏水材料和CVD 相结合的方法获得接触角大于175°的超疏水性能；Zhai 等[10]通过自组装聚丙烯铵盐酸盐(PAH)和聚丙烯酸(PAA)的多层膜,得到接触角为172°的超疏水表面；Zhang 等[11]利用电沉积稠密的金簇,经过n ⁃十October 1631Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2007Vol.23二烷硫醇修饰后,接触角达到173°.然而,上述方法由于实验条件苛刻、仪器昂贵或者工艺复杂,限制了疏水材料在实际生活中的应用范围.制造超疏水表面的方法可以分为两类[12],即由低表面能材料制造粗糙表面和用低表面能材料改性粗糙表面.本文利用含氟聚氨酯的低表面能,通过改性纳米SiO2在其表面键合,形成一种粗糙结构,实现超疏水表面的构建.1实验部分1.1原料铝合金(LY12,北京航空航天大学机械厂),双组分含氟聚氨酯(天津灯塔涂料有限公司,组分一含F—OH,组分二含—OCN,组分一与组分二的质量比为5∶1),纳米SiO2(A380,北京安特普纳科贸有限公司,原生粒径为7nm),硅烷偶联剂(A1100)(北京安特普纳科贸有限公司),二甲苯(分析纯,北京化工厂),Alodine(阿罗丁)液(北京航空材料研究院). 1.2工艺经过除油、碱洗后的铝合金浸入到阿罗丁液3 min后,表面镀上阿罗丁膜,然后在其表面刷涂双组分的含氟聚氨酯(保证含—OCN组分过量).纳米SiO2表面经偶联剂(A1100)修饰后带有—NH2,并将其溶于二甲苯配成0.025g·mL-1的浓度,然后将预涂后的铝合金浸入,使预涂基体表面分布的—OCN和经修饰后带有—NH2的SiO2充分反应,将纳米SiO2固定在涂层表面,约14h后烘干.偶联剂的用量m按其在纳米SiO2表面形成单分子层计算：m=(m1·S s)/S w式中,m1为SiO2的质量,S s为SiO2的比表面积(380 m2·g-1),S w为偶联剂A1100的可润湿比表面积(353 m2·g-1).1.3涂层性能表征及测试用红外光谱仪(AVATAR⁃360,NICOLET, American)表征经过硅烷偶联剂改性的纳米SiO2；用扫描电镜(JSM⁃5800,JEOL,Japan)观察表面形貌,并作能谱分析；用接触角测定仪(OCA20,Dataphysics, Germany)测量静态接触角.电化学测试采用三电极体系,以含超疏水涂层的铝合金为研究电极,铂电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,用质量分数为3.5%的NaCl溶液作为介质,将带有超疏水涂层的铝合金和只经过打磨后的铝合金(空白样)的耐蚀性能进行对比.交流阻抗谱(EIS)测试使用电化学工作站(Parstat2273,Ametek,American),测试软件为Powersuit阻抗测试系统,频率范围在1×105-1×10-2 Hz.测量极化曲线时的扫描速率为1mV·s-1.2分析与讨论2.1形貌表征图1是表面经过硅烷偶联剂(A1100)修饰前后的纳米SiO2的FT⁃IR谱图.可以看到,加入偶联剂前后纳米SiO2表面物质组成基本没有发生变化,但经A1100修饰后纳米SiO2表面的部分羟基与硅烷偶联剂作用生成Si—O键[13].2973cm-1处为—CH2、—CH3的特征吸收峰,修饰后的纳米SiO2吸收峰强度增强,且在1457cm-1出现新峰,为C—H的特征吸收峰[14].改性后的纳米SiO2和茚三酮发生显色反应,变成蓝紫色[15],这是氨基(—NH2)的特征显色反应,说明偶联剂确实已经键合到SiO2表面.图2是水滴在经过SiO2键合后铝合金涂层表面的照片.由于涂层是在液相环境中获得,将预涂聚氨酯后的铝合金浸入到分散均匀的SiO2⁃二甲苯液中,然后通过化学键在含氟聚氨酯表面键合了一层SiO2,故得到的涂层表面均匀一致,如图2a.从图2b 中可以很清楚地看到水滴在其表面的状态,水滴与涂层表面接触面积小,具有良好的自洁性能.图3是预涂含氟聚氨酯和具有超疏水涂层的铝合金表面的SEM图.尽管在宏观上聚氨酯涂层具有光滑平整的表面,但由于涂料只能在微米范围内流平,导致聚氨酯表面有褶皱产生,如图3a所示.从图3b中发现,具有超疏水涂层的铝合金表面起伏不平,存在微米⁃亚微米范围内的粗糙结构,同时有孔洞结图1改性前(a)后(b)纳米SiO2的FT⁃IR光谱Fig.1FT⁃IR spectra of nano⁃SiO2(a)before and(b)aftermodification1632No.10李松梅等：铝合金表面超疏水涂层的制备及其耐蚀性能构存在,这是由于将预涂聚氨酯后的铝合金浸入到二甲苯中,发生了溶胀,部分聚氨酯溶解,形成微孔结构.另外,部分改性SiO 2会随着二甲苯进入到涂层内部,与涂层内部的—OCN 键合,最终在干燥过程中,与表面键合的SiO 2层在涂层表面层错堆叠,形成一种满足超疏水性能所需要的粗糙度.另外所使用的不定型SiO 2的原生粒径约为7nm,但从SEM 图中发现表面主要存在粒径为0.1-1滋m 的粗糙结构.这可能是由于在改性以及研磨过程中,纳米颗粒发生硬团聚,在超声分散过程中,很难将团聚的颗粒分开.但可以发现杂乱排列的SiO 2在某种程度上模拟了荷叶的表面结构,即微米结构上存在亚微米结构,并获得较高的超疏水性能(接触角高达156°,见图4).图4是具有预涂含氟聚氨酯(a)和超疏水(b)涂层的铝合金表面的接触角测试结果.可以看出,聚氨酯本身具有较低的表面能,但与水滴的接触角(兹)只有76°,表现出弱疏水性能,这是因为含氟聚氨酯中图3铝合金表面涂层的SEM 照片Fig.3SEM images of coating on the aluminum surfacea)pre ⁃coated with polyurethane ；b)superhydrophobicsurface图4铝合金涂层表面的接触角(θ)Fig.4Water contact angle (θ)of aluminum alloy surface with coatinga)coated with polyurethane;b)superhydrophobiccoating图2水滴在含有超疏水涂层的铝合金表面的照片Fig.2Digital photos of droplet on the aluminum surfacea)overlook,b)side ⁃look1633Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2007Vol.23的氟含量约为20%,不能满足疏水性要求的低表面能,而超疏水涂层的接触角为156°,滚动角小于5°.粗糙表面可分为三种,即有序化粗糙表面、无序化粗糙表面和阶层结构粗糙表面.单纯通过降低表面能可以增大接触角,但接触角不能超过120°[16].本实验中得到的超疏水性能可以归结为纳米SiO 2在涂层表面键合后的无规排列,形成了微米⁃亚微米范围内的无序化粗糙结构,以及硅烷偶联剂上的疏水性硅烷链键合到SiO 2表面[17].另外,在本实验中是基于含氟聚氨酯的涂层,氟化物属于低表面能物质,对疏水性能也有影响[17,18].涂层表面的EDS 测试结果(如表1所示)也说明涂层表面含有氟化物,有利于超疏水表面的形成.2.2耐蚀性能测试在铝合金表面构造了一层超疏水涂层后,利用电化学实验测试该涂层的耐蚀性能.图5是铝合金空白样和具有超疏水涂层铝合金的交流阻抗谱.从图5(a)中可看出,铝合金空白样由于在NaCl 溶液中会形成多孔氧化膜,而外层Cl -与氧化膜相互作用又会形成盐膜[19],所以阻抗值达到了104数量级.在低频区,可以发现阻抗图谱发生了萎缩,这是因为点蚀开始萌生,最后阻抗谱的虚部变为正值,这时点蚀处于扩展阶段.从图5(b)中可看出,含超疏水涂层的铝合金具有优异耐蚀性能,阻抗值接近108数量级,这可归结于所得到的涂层表面张力小.但不能仅仅将超疏水涂层的耐蚀性归结为其表面张力小,腐蚀介质无法接近基体,因为Liu 等[20]利用十四烷酸处理活化后的Cu 基体,也得到超疏水涂层,利用EIS 研究了其表面膜层的耐蚀性,发现阻抗为104数量级.故我们将含超疏水涂层的铝合金具有高耐蚀性能归结于两个方面,首先,预处理镀上的一层阿罗丁膜会增加超疏水涂层的耐蚀性能.另外,由于制备的涂层具有超疏水性能,导致部分腐蚀性离子(如Cl -)无法依靠溶液介质接近涂层表面,这样就很好地保护了基体.而聚氨酯由于在浸泡过程中发生溶胀,形成了多孔结构,不再是一个连续的膜,所以没有考虑其对耐蚀性能的贡献.图6是超疏水涂层体系的Bode 图,可以观察到图上有三个峰值,说明体系含有三个时间常数.然而图5中的超疏水涂层阻抗谱只显示出一个半圆,这是因为Nyquist 图应用的是线性轴,区分这些时间常数就变得较为困难,这种情况下,Bode 图就非常适用,可以清晰地分辨出电荷传递的每一步骤[21],实际上在Nyquist 图高频区还存在两个半圆,只是半圆直径相对较小,不能明显观察出来.在刷涂聚氨酯之前,为了增加其与基体的结合力,先在铝合金基体上镀上了一层阿罗丁膜,而且聚氨酯与SiO 2键合形成的超疏水涂层具有很小的表面张力,溶液介质很难接近基体,这样就可以认为在涂层和溶液介质间形成了一层隔离膜.考虑在涂层和溶液介质之间存图5空白样和带涂层的铝合金的Nyquisit 图Fig.5Nyquisit diagrams of the aluminum alloy with and without coating*)mass ratio,**)atom ratio;K series excitationElement w (%)*a (%)**C 34.7646.28O 34.5434.53F 7.61 6.41Si 19.9411.36Cl 3.15 1.42total100.00100.00表1铝合金超疏水涂层表面的EDS 测定结果Table 1Results of EDS of the aluminum alloysurface with superhydrophobiccoating1634No.10李松梅等：铝合金表面超疏水涂层的制备及其耐蚀性能在电荷双电层,通过对得到的Bode图和Nyquist图进行分析,结合三层膜的等效电路(图7)来分析此涂层[22,23].由于涂层表面存在粗糙结构,用恒相位元件CPE替代超疏水涂层表面的纯电容[24].图8是利用ZSIMPWIN软件并结合图7中等效电路图模拟得到的EIS等效阻抗谱.含有超疏水涂层的铝合金表面结构是电荷双电层先与超疏水涂层形成并联结构,然后再和阿罗丁膜串联.由于超疏水涂层的表面张力很小,溶液介质无法通过超疏水涂层靠近阿罗丁膜,这样溶液中的剩余负电荷只能在超疏水涂层表面排列,同时含有超疏水涂层的铝合金中的剩余正电荷会慢慢迁移到阿罗丁膜表面,形成了电荷双电层,故最终形成的双电层之间包含了超疏水涂层(图7).另外,由于超疏水涂层和阿罗丁膜的交互作用,使得拟合的阿罗丁膜阻抗值达到了4.513×107Ω,超疏水涂层电阻为6.275×107Ω,具有良好的耐蚀性能.由于形成的阿罗丁膜比较致密,且与铝合金基体结合良好,对整个涂层的抗腐蚀性能起到了促进作用.由图8可以看到,软件模拟和实验获得的谱图具有良好的一致性,其误差为9.668×10-3,说明其等效电路图能够有效地反映出超疏水涂层的结构组成.图9是空白样和具有超疏水涂层铝合金的Tafel曲线.从图9中可以看到,空白样品的自腐蚀电位约为-0.8V,而含有超疏水涂层的自腐蚀电位正移至-0.72V左右,说明此涂层使得Tafel曲线阳极分支和阴极分支正移,降低了铝合金发生腐蚀的倾向,同时铝合金空白样的阳极区极化度要远远大于含超疏水涂层的铝合金.而且在阳极极化区,可以看见空白样品的电流急剧上升,而含有超疏水涂层的铝合金电流缓慢增加,最终保持在一个很低的数值(10-8.5A·cm-2).而阳极极化曲线是一个加速腐蚀的过程,腐蚀速率取决于涂层的抗极化能力,由图9可以说明,在强极化区,超疏水涂层的存在有效地提高了铝合金的耐腐蚀性能,这和交流阻抗测试所得到图7超疏水涂层的等效电路Fig.7Equivalent circuits of superhydrophobiccoatingR sol,R ct,R1,R2were resistances of solution,charge⁃transferring, superhydrophobic and alodine coating respectively.C dl,Q CPE1,C1were capacitances of double layers,superhydrophobic and alodine coating.图9空白样和含涂层铝合金Tafel曲线Fig.9Tafel curves of the aluminum alloy with andwithout coating图8超疏水涂层的拟合阻抗谱Fig.8Simulated impedance plot of superhydrophobic coating on aluminumalloy 图6超疏水涂层的Bode图Fig.6Bode diagram of the aluminum alloy withcoating1635Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2007Vol.23的结论一致.3结论(1)通过FT鄄IR光谱测试,发现硅烷偶联剂成功键合到纳米SiO2表面,使其表面带有氨基官能团,和双组分聚氨酯中过量的异氰酸根(—OCN)反应后,使得SiO2可以固定在铝合金表面,形成粗糙结构.(2)利用SEM观察到超疏水涂层的铝合金表面微米范围内粗糙结构的存在,接触角测试结果表明此工艺可以获得超疏水涂层.(3)铝合金表面超疏水性能是通过氟聚氨酯、偶联剂修饰纳米SiO2后带有疏水基团,以及在表面形成粗糙结构的协同作用所得到的.(4)电化学测试结果表明,超疏水涂层体系的存在能很大程度地提高铝合金的耐腐蚀性能.References1Kwok,D.Y.;Neumann,A.W.Adv.Colloid Interface Sci.,1999, 81(3):1672Ball,P.Nature,1999,400(6744):5073Sun,T.;Feng,L.;Gao,X.;Jiang,L.Acc.Chem.Res.,2005,38(8): 6444Jiang,L.Adv.Mater.,2002,14:18575Guo,Z.G.;Zhou,F.;Liu,W.M.Acta Chimica Sinica,2006,64(8):761[郭志光,周峰,刘维民.化学学报,2006,64(8):761] 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两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究
表面技术第52卷第9期两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究李文艳1,2，杨含铭3，夏祖西1,2，彭华乔1,2，石涛1,2*（1.中国民航局第二研究所，成都 610041；2.民航航油航化产品适航与绿色发展重点实验室， 成都 610041；3.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 611756）摘要：目的探究硅烷偶联剂对铝合金超疏水表面性能的影响。
方法通过化学刻蚀并结合硅烷偶联剂修饰，在AMS 4037铝合金上制备超疏水表面。
首先，通过HCl/H2O2混合液对铝合金进行刻蚀，在其表面构造具有多级蜂巢状的微/纳复合结构，再分别采用硅烷偶联剂和含氟硅烷进行疏水改性。
详细研究2种改性剂的浓度对刻蚀铝合金表面润湿性的影响。
采用接触角测量仪对材料表面润湿性和表面自由能进行测试，通过扫描电镜、能谱仪、激光共聚焦显微镜对表面微观结构和化学成分进行表征。
同时，对2种硅烷偶联剂修饰的铝合金超疏水表面进行液滴冻结时间、防覆冰及自清洁行为测试。
结果铝合金表面的疏水性并不总是与改性剂的浓度呈正相关。
当改性剂的质量分数为0.5%时，经硅烷偶联剂修饰后其刻蚀表面的接触角为156.3°，但滚动角大于30°，而经含氟硅烷修饰后其表面的接触角可达164.4°，滚动角为6°。
液滴在硅烷偶联剂和含氟硅烷修饰后的超疏水表面的冻结时间分别为37、45 s。
结论相较于硅烷偶联剂修饰的刻蚀表面，含氟硅烷改性后其表面能更低，疏水效果更好。
相较于未处理的铝合金表面，经硅烷偶联剂修饰后铝合金超疏水表面可显著抑制液滴的冻结过程，具有更长的冻结时间和延迟覆冰的能力，并且含氟硅烷修饰后表面的防冰性能更佳。
自清洁实验也证明经含氟硅烷修饰后的表面具有更好的自清洁性能，其表面的微小灰尘颗粒更易被带走。
关键词：铝合金；超疏水；冻结时间；结霜；自清洁中图分类号：O69 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)09-0340-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.09.030Superhydrophobic Properties of Aluminum Alloy SurfacesModified by Two Silane Coupling AgentsLI Wen-yan1,2, YANG Han-ming3, XIA Zu-xi1,2, PENG Hua-qiao1,2, SHI Tao1,2*(1. The Second Research Institute of Civil Aviation Administration of China, Chengdu 610041, China; 2. Key Laboratory ofAviation Fuel & Chemical Airworthiness and Green Development, Civil Aviation Administration of China, Chengdu 610041, China; 3. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)ABSTRACT: In order to investigate the effects of the silane coupling agent on properties of superhydrophobic aluminum alloy surfaces, superhydrophobic surfaces were prepared on AMS 4037 aluminum alloy by chemical etching combining with收稿日期：2022-09-11；修订日期：2023-02-24Received：2022-09-11；Revised：2023-02-24基金项目：国家自然科学基金（U1833202）Fund：National Natural Science Foundation of China (U1833202)引文格式：李文艳, 杨含铭, 夏祖西, 等. 两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究[J]. 表面技术, 2023, 52(9): 340-350.LI Wen-yan, YANG Han-ming, XIA Zu-xi, et al. Superhydrophobic Properties of Aluminum Alloy Surfaces Modified by Two Silane Coupling第52卷第9期李文艳，等：两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究·341·modification of two kinds of silane coupling agents. Via an etching process with hydrochloric acid and hydrogen peroxide mixed solution, hierarchical honeycomb micro/nano structures were formed on AMS 4037 aluminum alloy surfaces. Then, the etched surface was treated with different concentrations of silane and fluorosilane, respectively. The effect of silane coupling concentration on wettability was also investigated systematically. The wettability and surface free energy of as-prepared samples were characterized and calculated by a contact angle meter. The microscopic appearance and chemical composition were analyzed by SEM, LSCM and energy spectrum. Meanwhile, the freezing process of water droplets on the surface with various wettability was observed with a high speed camera and the freezing time was calculated based on the video images. Anti-icing and self-cleaning behaviors of the surfaces treated with two modifiers were tested respectively. The results showed that the hydrophobicity of as-prepared samples was not always positively related to the concentration of the silane coupling. When the modifier was 0.5wt.%, the contact angle of the etched surface treated with silane coupling agent was 156.3°, but the sliding angle was more than 30°, while the fluorosilane-modified surface reached a maximum contact angle of 164.4° and a rolling angle of 6°, which was definitely a superhydrophobic surface. When the concentration of modifiers continued to increase, the hydrophobicity of both surfaces became worse, which may be due to the effect of the way in which the surface modifier molecules were packed. The freezing time of water droplets with a volume of 5 μL on the superhydrophobic surface modified by silane coupling agent and the fluorosilane was divided into 37 s and 45 s, respectively. And the lower freezing front speed on the surface with better hydrophobicity was observed. The anti-icing for the superhydrophobic surface attributed to the quite small contact area and the high thermal resistance between the liquid-solid interfaces. The anti-icing test illustrated that compared with the original aluminum alloy surface, the superhydrophobic surfaces had longer freezing time and could delay icing, and the surface modified by fluorosilane had better anti-icing performance. It was found that the size of areas frozen was negatively correlated with hydrophobicity of surface. Under the same conditions, the better the hydrophobicity, the less ice is covered on the surface of the aluminum alloy. The frozen area of the etched surface modified with silane coupling agent is smaller than that of the untreated surface. The frozen area of the etched surface modified by the fluorosilane coupling agent is smaller than that of the surface modified by the silane coupling agent. This fact can be explained by the reduction of solid-droplet interface and increase of thermal resistance resulting from trapped gas. The self-cleaning experiments also prove that the surface modified by fluorosilane has better self-cleaning performance than the silane-modified surface, and the small dust particles on the surface are easier to remove.KEY WORDS: aluminum alloy; superhydrophobic; freezing time; frosting; self-cleaning超疏水材料通常指与水的接触角大于150°、滚动角小于10°的材料。
层层自组装法制备超疏水表面的研究进展
山 东 化 工 收稿日期：２０２０－０４－２２作者简介：代学玉（１９８４—），女，甘肃永登人，讲师，研究方向：表面功能材料。
层层自组装法制备超疏水表面的研究进展代学玉，于娇娇，汪永丽（兰州石化职业技术学院石油化学工程学院，甘肃兰州 ７３００６０）摘要：近年来，超疏水表面因在生产、生活中具有重要的用途而引起了研究者的广泛关注。
本文将对层层自组装法制备超疏水表面的研究进展作一介绍。
关键词：超疏水；层层自组装法；微纳米结构中图分类号：Ｏ６４７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）１２－００４４－０２ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＳｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃＳｕｒｆａｃｅｓｂｙＬａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒＳｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙＭｅｔｈｏｄＤａｉＸｕｅｙｕ，ＹｕＪｉａｏｊｉａｏ，ＷａｎｇＹｏｎｇｌｉ（ＬａｎｚｈｏｕＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００６０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｆｒｏｍｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｌｉｆｅ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｗｉｌｌｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｌａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ；ｌａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｅｔｈｏｄ；ｍｉｃｒｏ－ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 润湿性是液体对固体表面的一个重要界面现象，主要取决于固体表面的化学组成和表面粗糙度［１－２］。
一种酸刻蚀法制备铝合金超疏水表面薄膜
图 ３为草 酸 和盐 酸混 合溶 液刻 蚀 铝合 金样 条 时 间对样 品表面疏 水 性能 的影 响 曲线 。
为 １ １ ，滚动角为 １ 。 ３。 ９ ，这表明盐酸浓度过高时 ，反
｜
应过 快 ，使 得样条表 面刻蚀不均一 ，疏水 效果也达不 到要 求。草酸的添加 ，在反应过程 中可以减缓盐 酸的
ｈ ｄ ｏ ｈ ｂ ｃ ｍｂ ａ ｅ ． ｈ ｅ ｔ ｒｐ ａ ｏ ｏ ｄ ｔ ｎ ｅ ｍ ｘ ｄ ｓ ｌ ｔ ｎｏ ．８ｍｏ／ ｘ ｉ ａ ｉ ｄ １ ｌ ｙ ｒ — ｙ ｒ ｐ ｏ ｉ ｍｅ ｒ ｓ Ｔ ｅｂ ｓ ｐ ｅ ａ ｔ ｎｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ＂ ｎ ｒ ｉ ｉ ａ ｉ ｅ ｕ ｉ ｆ ０ ｌ ｏ ａ ｃ ｃｄ ａ ｍｏ／ ｈ ｄ ｏ ｒ ｏ ｏ ０ Ｌ ｌ ｎ Ｌ
‘
基金项 目 ：湖南省科技厅基金资助项 目 （ ０ ９ ３ ８ ，湖南省大学生研究性学习和创新性试验计划基金资助项 目 （ ２０ ＣＫ ０ ２） 湘教通
［ １１４ ，湖南工业大学大学生研究性学 习和创新性试 验计划基金资助项 目 （ ２ ０２４） ０ 湖工 大教字 ［ １１８ ２ ０２ ） ０ 作者简介 ： 黄子发 （９９ ） ，湖南 株洲 人 ，湖南工业 大学学生 ，主要研究方 向为表面材料改性 １８一 ，男
第２ 卷 第 ４ ５ 期 ２１ 年 ７ ０１ 月
湖
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ＶＯ ．５ ＮＯ４ １ ． ２ Ｊ ｌ ０ １ ｕｙ ２ １
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一
种酸刻蚀 法制 备铝合金超疏水表 面薄膜
超疏水的制备原理
超疏水的制备原理
超疏水的制备原理基于两个主要因素：物理结构和表面化学性质。
1. 物理结构：超疏水材料通常具有特殊的微纳米结构。
这种结构可以通过自组装、模板法、溶剂挥发法等多种方法制备。
这些结构通常包括微米级的微柱、微球、微刺等特殊形状，或者由纳米级的纳米棱柱、纳米球、纳米刺等构成。
这些微纳米结构可以使得液体在表面上形成高度凹凸不平的几何特征，从而降低液体与固体表面之间的接触面积，减少液体在表面上滞留的可能性，进而实现超疏水的性质。
2. 表面化学性质：超疏水材料的表面通常具有低表面能和高界面能的特点。
表面低表面能是指材料表面对液体表面具有弱吸附性，即液体的表面张力会使液滴往上升的方向“滚落”下去。
而高界面能是指材料表面对液体表面有较强的反应性，即液滴在接触到超疏水材料表面时发生变形、渗透或反应的能力有限。
这种表面化学性质常常可以通过表面改性来实现，如使用特定的化学处理方法或将特定的化合物涂覆在材料表面上。
综上所述，超疏水的制备原理在于通过物理结构和表面化学性质的设计和调控，使得材料表面具有特殊的微纳米结构和适当的表面化学性质，从而实现材料对液体的高度抗湿润和自洁性质。
超疏水材料的原理
超疏水材料的原理
超疏水材料是一种具有特殊表面结构的材料，能够在接触水时使水滚动成水珠并快速从表面滑落，从而实现极强的防水性能。
其原理主要是基于两个因素：一是表面微结构；二是化学结构。
在表面微结构方面，超疏水材料通常采用了纳米或微米级别的微凸起或凹陷结构，例如在莲叶表面上就有许多微小的凸起，这些凸起可以显著减少表面与水的接触面积，从而减少了水分子与材料表面的相互作用力，使得水能够在表面上形成水珠。
同时，这些微凸起还能够形成一种微小的空气层，使水珠与材料表面保持一定距离，进一步减少了水与材料表面之间的接触。
在化学结构方面，超疏水材料通常使用低表面能的化学材料，如氟化物、硅烷等。
这些化学材料具有很低的表面能，水分子与其相互作用力极小，能够形成一种类似于涂有油漆的表面，使水分子无法粘附在表面上，从而实现超疏水性能。
总之，超疏水材料的原理是通过表面微结构和化学结构的优化来减少水分子与表面的相互作用力，使水能够形成水珠并快速从表面滑落，从而实现防水性能。
- 1 -。
铝合金表面防水处理方法
铝合金表面防水处理方法铝合金是一种常见的金属材料，具有较高的强度和轻量化的特点，在各个领域得到了广泛应用。
然而，铝合金的表面容易受到水的侵蚀，导致腐蚀、氧化等问题。
为了保护铝合金的表面，防水处理显得非常重要。
本文将介绍几种常见的铝合金表面防水处理方法。
一、化学处理法化学处理法是常见的铝合金表面防水方法之一。
在铝合金表面涂覆一层能与铝合金表面形成化学反应的物质，如氧化铝、氟碳聚合物等。
这些物质可以形成一层致密的保护层，阻隔水分和氧气的侵入，达到防水的效果。
此外，化学处理还可以提高铝合金表面的硬度和耐磨性，延长使用寿命。
二、物理处理法物理处理法是另一种常见的铝合金表面防水方法。
这种方法主要是利用物理原理，在铝合金表面形成一层防水层。
常见的物理处理方法有阳极氧化和喷涂法。
阳极氧化是利用电解原理，在铝合金表面形成一层氧化膜，这层氧化膜具有良好的防水性能。
喷涂法是将防水涂料喷涂在铝合金表面，形成一层防水层。
这种方法简单易行，效果也较好。
三、涂层处理法涂层处理法也是常用的铝合金表面防水方法之一。
通过在铝合金表面涂覆一层防水涂料，形成一层防水层，起到防水的作用。
常见的涂层材料有聚氨酯、环氧树脂等。
这些涂料具有良好的防水性能和抗腐蚀性能，可以有效保护铝合金表面免受水分侵蚀。
四、纳米涂层处理法纳米涂层处理法是近年来发展起来的一种新型铝合金表面防水方法。
通过在铝合金表面涂覆一层纳米涂料，形成一层纳米防水层。
这种纳米涂料具有很高的抗水性能，能够形成一层致密的防水层，有效防止水分的侵入。
与传统的涂层处理方法相比，纳米涂层处理法具有更好的防水效果和较长的使用寿命。
铝合金表面防水处理方法有化学处理法、物理处理法、涂层处理法和纳米涂层处理法等多种。
通过选择合适的处理方法，可以有效保护铝合金表面，延长使用寿命，提高产品质量。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的防水处理方法，并采取相应的措施进行施工，以确保防水效果的达到。
铝合金表面防水处理是一个综合性的工程，需要综合考虑各个方面的因素，确保处理效果的稳定和可靠。
超疏水的原理及应用
超疏水的原理及应用一、超疏水的定义超疏水是指具有非常高的液体接触角，即水珠在其表面上能够形成非常接近于180度的接触角度。
超疏水表面具有很高的疏水性，水滴在其表面上无法附着，会形成稳定的球状。
二、超疏水的原理超疏水的原理基于表面微纳结构的设计。
通过在材料表面引入特定的微米或纳米结构，可以改变材料表面的特性，从而实现超疏水效果。
以下是超疏水的两种常见原理：1. 微纳结构原理超疏水表面通常包含许多微米或纳米级的凸起结构。
这些结构可以使水滴在表面上保持悬浮状态，而不与表面产生直接接触。
这种微纳结构能够降低液体在表面上的接触面积，减小表面对液体的吸附力，使水滴迅速脱离表面。
2. 化学剂原理在超疏水表面上，结合微纳结构，还可以使用化学剂改变表面性质，增加疏水性。
这些化学剂可以使水滴在表面上形成球状，从而减少液滴与表面的接触面积和粘附力。
常用的化学剂包括疏水涂层、聚合物以及草酸盐等。
三、超疏水的应用超疏水材料具有许多实际应用的潜力，以下列举了一些主要的应用领域：1. 防污涂层超疏水材料可以用于制造防污涂层，使污垢无法附着在表面上。
这种涂层广泛应用于建筑、船舶、汽车和飞机等领域，可以降低清洁成本，提高表面的耐久性。
2. 自清洁材料超疏水的材料可以让水滴自行滚落，并夹带表面上的污垢一起滚落，实现自清洁作用。
这种材料可以应用于窗户、镜子、屏幕等产品上，减少了清洁的频率和成本。
3. 防冰涂层超疏水材料可以用于防冰涂层的制造。
在低温环境下，水滴无法在超疏水表面上凝结成冰。
这种材料可用于飞机表面、导航标志和建筑物等，提高安全性和效率。
4. 微流体控制超疏水材料与微体系结合，可以用于微流体控制。
通过调整微纳结构和表面化学性质，可以实现微流体的分离、混合和传输等操作。
这种技术对于生物医学、化学分析和微芯片等领域具有重要意义。
5. 油水分离超疏水材料可以用于油水分离的场合。
通过超疏水表面的特性，可以使油滴在水上浮起，实现油水分离的目的。
【CN109706454A】一种无低表面能物质改性的铝合金超疏水表面制备方法【专利】
温度和电镀电压下，电镀制备了超疏水钴镀层。专利号为200810150857 .6的专利申请公开 了一种 用电 化学法 制备超疏水表面的 工艺方法 ，通过两步处理工艺方法 ，即先电 化学刻蚀 再通过草酸阳极氧化来在铝及其合金表面构造微纳米双重粗糙结构，然后通过氟硅烷修饰 来制备超疏水表面。文献“S .Barthwal ,Y .S .Kim ,S .-H .Lim .Fabrication of amphiphobic surface by using titanium anodization for large-area three-dimensional substrates .Journal of Colloid And Interface Science ,2013 ,400:123-129”采用两步 阳极氧化法在钛合金表面构筑纳米管表面形貌，用氟硅烷改性微米和纳米结构的钛合金表 面，制备了超疏水表面。上述发明都需要复杂的实验装置和相对繁琐的工艺步骤，而且表面 改性所需的氟硅烷对自然环境和人类健康具有潜在危险。为了克服这些问题，本发明提供 了一种不需要复杂工艺和表面改性处理便能得到铝合金超疏水表面的制备方法。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910003202 .4
(22)申请日 2019 .01 .03
(71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工 路2号
(72)发明人 徐金亭 郝壮 成泽超 曲光辉 侯文彬
(74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200
代理人 温福雪 侯明远
金属材料表面超疏水涂层的研究进展
金属材料表面超疏水涂层的研究进展目录一、内容描述 (2)1. 超疏水涂层的定义与意义 (3)2. 金属材料表面处理技术的发展背景 (4)二、超疏水涂层材料的研究进展 (5)1. 纳米材料在超疏水涂层中的应用 (6)纳米TiO2、SiO2等颗粒的制备与应用 (7)纳米复合材料的设计与性能优化 (9)2. 有机高分子材料在超疏水涂层中的应用 (10)涂层材料的表面接枝改性技术 (11)自组装单分子层的构筑与性能研究 (12)3. 生物启发型超疏水涂层的研究 (13)蜡烛蜡、硅酮等生物启发材料的模仿与应用 (14)生物矿化原理在涂层设计中的应用 (15)三、超疏水涂层制备方法的研究进展 (17)1. 化学气相沉积法 (18)2. 动力学激光沉积法 (19)3. 离子束溅射法 (20)4. 溶液沉积法 (21)5. 微纳加工技术 (22)四、超疏水涂层性能评价及优化策略 (23)1. 表面张力与接触角测量 (24)2. 耐磨性、耐腐蚀性等性能评估 (26)3. 涂层稳定性与耐久性分析 (27)4. 性能优化策略与实验方法 (28)五、超疏水涂层在特定领域的应用研究进展 (29)1. 抗生物污染涂层的研发与应用 (30)2. 防腐蚀保护涂层的性能研究 (32)3. 光学性能改进的超疏水涂层设计 (33)4. 涂层在航空航天、电子电气等领域的应用探索 (34)六、结论与展望 (35)1. 超疏水涂层技术的发展趋势 (36)2. 存在的问题与挑战 (38)3. 未来研究方向与应用前景展望 (39)一、内容描述随着科技的不断发展，材料科学领域对于表面性能的要求日益提高，尤其是在防水、防污、自清洁等方面具有特殊需求的材料。
金属材料作为现代工业的重要基础材料，其表面性能的优劣直接影响到产品的使用寿命和可靠性。
对金属材料表面进行超疏水涂层的研发和应用成为了当前研究的热点。
超疏水涂层是一种具有特殊表面性能的涂层，其表面的水接触角大于150，表现出“荷叶效应”，即水滴在涂层表面上能够迅速滚落，而不会附着和渗透。
纳秒激光构建铝合金表面超疏水微纳结构研究
纳秒激光构建铝合金表面超疏水微纳结构研究下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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东南大学学报（ 自然科学版）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （ Natural Science Edition）
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2011． 05． 027
Vol． 41 No． 5 Sept． 2011
1） 前处理 首先将铝合金样品表面研磨并抛 光，接着在 丙 酮 溶 液 和 去 离 子 水 中 先 后 超 声 清 洗 10 和 5 min，随后取出吹干备用．
2） 湿化学刻蚀 将前处理后的铝合金样品置 于 90 g / L 的盐酸分析纯水溶液中，40 ℃ 水浴条件下 刻蚀 5 min，取出后用大量去离子水清洗并吹干．
吴洁，等： 铝合金表面构建超疏水性的化学改性机理
1037
选用表面能较低的聚合物，如氟碳树脂（ 聚四氟乙 烯） 、有机硅树脂（ 聚二甲基硅氧烷） 、氟硅树脂（ 氟 硅烷） 和长链聚合物（ 硬脂酸） 等［4］． 与其他制备方 法相比，湿化学刻蚀法简便快捷、成本较低； 而长链 脂肪酸的价格远低于其他修饰物． 因此，利用湿化 学刻蚀和长链脂肪酸进行化学改性，构建超疏水金 属表面具有方便、快速、低成本等优点［12-14］． 利用 刻蚀法在金属基体上制备粗糙结构的机理及应用 已有较多文献报道 ，但 ［1-4，12-14］ 化学改性对金属表 面润湿性的影响规律和机理研究较少．
2 实验结果
2. 1 刻蚀-蒸镀两步法制备样品 首先研究了不பைடு நூலகம்蒸镀溶液浓度对刻蚀铝合金
样品润湿性的影响． 图 2 为酸处理和硬脂酸蒸镀处 理后 的 铝 合 金 表 面 SEM 图 （ 温 度 150 ℃ ，时 间 2 h） ． 可以看出，盐酸溶液刻蚀后，铝合金表面十分 粗糙，形成了许多尺寸较为不均匀的方形凸台和凹
收稿日期： 2011-01-19． 作者简介： 吴洁（ 1988—） ，女，硕士生； 张友法（ 联系人） ，男，博士，讲师，yfzhang@ seu． edu． cn． 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51101035，51106023 ） 、江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室开放基金资助项目 （ AMM -
表面结构和化学组成对固体表面润湿性有显 著影响［1-4］，因此本文对制备过程各阶段的样品与 水滴的接触角进行了测试（ 见图 4） ． 前处理后的光 滑铝合金表面接触角为 52°，表现出亲水性（ 见图 4 （ a） ） ． 盐酸刻蚀后的铝合金表面粗糙度明显增大， 表面润湿 性 也 随 之 发 生 改 变，水 滴 在 表 面 迅 速 铺 展，显示出较强的亲水性 （ 见图 4 （ b） ） ． 硬脂酸表 面能较低，在光滑铝合金表面蒸镀改性后，显示出 疏水性，接触角为 115°（ 见图 4（ c） ） ． 图 4（ d） 为刻 蚀铝合金表面硬脂酸修饰后的水滴接触形态，接触 角高达 160°，这主要是由于刻蚀增大了铝合金的表
1 试验
1. 1 试剂与仪器 试验中所用的铝合金板材纯度为 99. 90% ． 实
验时铝合金试样被切割成 2. 0 cm × 2. 0 cm × 0. 5 cm 的基片，用作超疏水表面制备的基底．
试样表面的形貌采用 Sirion 场发射扫描电镜 （ SEM ） 观察，该设备上配了 GENESIS 60S 能谱及 OIM4000 电子背散射衍射系统． 接触角检测则采 用 JC2000D4T 接触角检测系统测定． 1. 2 疏水表面的构建
Mechanism of chemical modification for fabricating superhydrophobic aluminum alloy
Wu Jie Yu Xinquan Zhang Youfa Zhou Quanhui
（ School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China） （ Jiangsu Key Laboratory of Advanced Metallic Materials，Southeast University，Nanjing 211189，China）
超疏水金属表面具有耐腐蚀、自清洁、抗结冰、 防生物附着等特性，对金属在海水环境、酸性条件、 低温和人体植入等领域的应用具有重要意义［1-4］． 基于荷叶效应的基本原理，超疏水金属表面的制备 方法主要有 2 种： ① 构建粗糙结构和表面改性分
开进行的两步法［5-8］； ② 粗糙化和化学改性同时进 行的一步法［9-11］． 对于粗糙结构的制备，有湿化学 刻蚀法、表面氧化法、直接成膜法和电化学沉积法 等． 运用这些方法已在不锈钢、铜、铝、锌和钛等多 种金属表面获得了超疏水性［1-10］． 表面改性剂一般
一步反应法是将一定量盐酸和肉豆蔻酸混合 搅拌，配成均匀溶液，然后将铝合金基片浸泡在其 中制备样品． 盐酸分析纯浓度为 350 g / L，通过改 变肉豆蔻酸浓度、反应温度和反应时间，制备不同 样品． 最后，制得的样品同样于 80 ℃ 下固化 0. 5 h． 1. 3 试样表面分析和润湿性测定方法
各种试样（ 包括刻蚀后铝合金基片、不同蒸镀 改性工艺处理后样品和一步法制备的样品） 表面形 貌采用 Sirion 场发射扫描电镜（ SEM ） 进行分析．
Abstract： The influence of evaporation process in a tw o-step modification approach of aluminum alloy w as studied systematically． A one-step approach is proposed by combining roughening and modification in tw o-step method． Results show that，in the evaporation process of the tw o-step method， the carboxyls of stearic acid covalently bond w ith the hydroxyls on aluminum surface，generating a superhydrophobic film w ith low surface energy． Water droplet contacts the sample in Cassie state， w hich show s a high contact angle of 160°． While in the one-step approach，dissolved aluminum ion can be caught by the myristic acid，and thereafter carboxylate deposits，leaving the hydrophobic long-chain alkanes outw ards． The aluminum substrates again display w ater repellency． Both optimized modification processes are proved to be universal for other kinds of long-chain fatty acids to prepare low -adhesion superhydrophobic surface on aluminum alloy． Key words： aluminum alloy； superhydrophobicity； chemical modification； long-chain fatty acid
本文系统研究了刻蚀-化学改性两步法中的蒸 镀改性对铝合金表面形貌和润湿性的影响规律和机 理，在两步法化学改性的基础上，研究了用一步浸泡 法制备超疏水铝合金，将超疏水金属表面的制备中 的刻蚀与化学改性合为一步进行． 同时探讨相同化 学改性工艺对不同长链脂肪酸的适应性，为超疏水 表面制备化学改性的选择和优化提供了实验依据．
图 3 硬脂酸蒸镀修饰铝合金表面示意图
面积，而 5% 硬脂酸乙醇溶液的蒸镀则在粗糙表面 修饰了一层分布均匀的低表面能硬脂酸，使得表面 润湿性发生根本改变，原本亲水的表面获得了超疏 水性．
图 2 刻蚀后经不同浓度硬脂酸乙醇溶液蒸镀修饰的 铝合金表面 SEM 图
分析认为，酸性试剂浸蚀铝片表面时，表面能 量较高处将优先发生腐蚀［11］，如晶界、相界、裂纹、 夹杂、位错塞积处等，从而显示出凸台与凹坑相间 的多级粗糙结构． 硬脂酸由极性的亲水羧基和非极 性疏水烷烃长链构成，活性较强，当端部羧基与金 属表面的羟基发生反应时，反应部位将形成共价键 结合，其示意图如图 3 所示． 由于硬脂酸疏水烷烃 长链的存在，共价键结合的部位其表面能将显著降 低． 此外，湿化学刻蚀后的铝合金表面存在表面能 差异，致使不同部位与硬脂酸的共价键合过程存在 先后，即不同部位的表面能降低过程存在先后．
201001） ． 引文格式： 吴洁，余新泉，张友法，等． 铝合金表面构建超疏水性的化学改性机理［J］． 东南大学学报： 自然科学版，2011，41 （ 5） ： 1036-1041．
［doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2011． 05． 027］
第5 期
构建疏水表面的工艺路线（ 见图 1） ． 首先用刻 蚀-修饰两步法制备了具有超疏水性的样品． 两步 是指先用湿化学刻蚀方法构造出表面粗糙结构，然 后再用一定浓度的硬脂酸溶液蒸镀，对其表面进行 修饰，并将优化的蒸镀工艺扩展到月桂酸、肉豆蔻 酸和棕榈酸． 在刻蚀-修饰的基础上，使用一步反应 法（ 盐酸和肉豆蔻酸的乙醇溶液） 在铝合金基体上 构建超疏水表面，并将优化的蒸镀工艺扩展到月桂 酸、棕榈酸和硬脂酸．
铝合金表面构建超疏水性的化学改性机理
吴 洁 余新泉 张友法 周荃卉