陽極氧化法構(gòu)建自清潔功能的鋁基超疏水表面及其性能研究.pdf

1、鋁及其合金在自然界中儲量豐富，且因具有良好的延展性、高比強度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能等眾多優(yōu)勢，成為了現(xiàn)代工業(yè)中的一種重要的工程材料，并被廣泛應(yīng)用在航空航天業(yè)、海運業(yè)和民用工業(yè)等眾多領(lǐng)域。然而，當(dāng)鋁及其合金暴露在惡劣的環(huán)境條件下，尤其是海洋或者潮濕的環(huán)境中，會容易受到腐蝕和污染，而當(dāng)長時間處于戶外環(huán)境中則會遭到損壞，且在極寒的條件下會發(fā)生積冰現(xiàn)象。這些問題不僅嚴(yán)重影響了它們的美觀性和功能，甚至還會引起巨大的經(jīng)濟損失和災(zāi)難性事故的發(fā)生。為了防止這

2、些問題的發(fā)生，可以將親水的鋁及鋁合金表面進(jìn)行超疏水化處理，通過形成一層集防腐、防污和防結(jié)冰功能為一體的表面保護(hù)層，來實現(xiàn)理想的防護(hù)效果。
　　本研究采用陽極氧化和十四酸以及1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（FAS）表面修飾相結(jié)合的這種簡單有效的方法，成功地制備出了具有分級微-納米結(jié)構(gòu)的自清潔功能的鋁基超疏水表面。通過原子力學(xué)顯微鏡（AFM）、場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）和X射線能量色散光譜（EDS）對表面形貌和化學(xué)組成

3、進(jìn)行了表征。并從表面潤濕性、機械和化學(xué)穩(wěn)定性、耐候性、耐蝕性、防結(jié)冰性以及自清潔性這幾個方面對所制備的鋁基超疏水表面進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。主要內(nèi)容如下：
　　（1）先用16V電壓對鋁合金進(jìn)行陽極氧化，接著用熔融的十四酸進(jìn)行修飾，獲得了接觸角和滾動角分別為155.6±1.0°和5.7±0.2°的超疏水鋁合金表面。對鋁基底來說，所制備的最佳超疏水鋁表面為陽極氧化電壓為20V時經(jīng)FAS修飾的表面，此時表面的接觸角高達(dá)156.0±0.7°，滾

4、動角低至2.5±1.4°。通過FESEM圖片發(fā)現(xiàn)，在鋁基超疏水表面上構(gòu)建出了三種分級的微-納米結(jié)構(gòu)，即微-納米線結(jié)構(gòu)、微-納米孔結(jié)構(gòu)和微-納米線金字塔結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)探討了陽極氧化鋁納米孔結(jié)構(gòu)演變?yōu)殛枠O氧化鋁納米線結(jié)構(gòu)的形成機制。同時，利用接觸角測量儀對水滴在鋁基超疏水表面的靜態(tài)和動態(tài)行為進(jìn)行了研究，并基于經(jīng)典的Cassie-Baxter方程對其潤濕性能進(jìn)行了理論分析。相應(yīng)的結(jié)果表明：當(dāng)水滴分別與十四酸修飾的超疏水鋁合金表面和FAS修飾的超

5、疏水鋁表面接觸時，對應(yīng)的水滴與空氣接觸面所占的單位表觀面積分?jǐn)?shù)分別為87.5％和82.2%。
　?。?）超疏水鋁合金表面在室溫下放置9個月或分別浸泡在去離子水、80℃去離子水以及無水乙醇中36h后，仍然具有超疏水性，表明此表面在空氣中具有良好的長效穩(wěn)定性和高效的化學(xué)穩(wěn)定性。此外，最佳超疏水鋁表面在抗砂粒磨損和一系列溶液中分別表現(xiàn)出良好的機械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性：經(jīng)過90s噴砂處理后，表面的接觸角仍高達(dá)151.8±1.1°；經(jīng)過在常用

6、試劑和80℃去離子水中放置7天的浸泡測試以及不同酸堿溶液在其表面靜置的潤濕性測試后發(fā)現(xiàn)，該表面依然具有穩(wěn)定的超疏水性；另外，通過7天連續(xù)的紫外/噴水冷凝循環(huán)測試后，其表面也依然保持超疏水效果，表明該超疏水鋁表面具有優(yōu)異的耐候性。
　?。?）電化學(xué)測試結(jié)果表明：超疏水鋁合金表面的腐蝕電流密度較鋁合金基底降低了近4個數(shù)量級，腐蝕電位從?0.838V正移到了0.403V，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。最佳超疏水鋁表面的腐蝕電流密度較鋁基底也降

7、低了約4個數(shù)量級，相應(yīng)的腐蝕電位有了0.93V的正移，且對鋁基底的防護(hù)效率高達(dá)99.99%。
　?。?）與鋁基底相比，超疏水鋁表面可以延緩結(jié)冰時間并降低結(jié)冰溫度。水滴在鋁表面上的結(jié)冰溫度和結(jié)冰持續(xù)時間分別為?12.3℃和2s；而對于最佳超疏水鋁表面，其相應(yīng)的值分別為?24.0℃和23s。將四種具有不同潤濕程度的表面（超親水的陽極氧化鋁AAO、親水的鋁、十四酸和FAS修飾的疏水鋁以及超疏水鋁表面）的冰粘附強度進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)最佳超

8、疏水鋁表面的冰粘附力下降最為明顯，其值低至0.036±0.022MPa，僅為鋁表面冰粘附力值（1.024±0.283MPa）的3.5%。較低的結(jié)冰溫度和極低的冰粘附強度表明，所制備的超疏水鋁表面具有優(yōu)異的抗結(jié)冰性能，其抗結(jié)冰效果要優(yōu)于疏水鋁表面，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁和陽極氧化鋁表面。
　?。?）將碳粉模擬成污染物，當(dāng)水滴從鋁基超疏水表面滾落時，其表面的污染物很容易隨著水滴的滾落而被一并帶走。與鋁、陽極氧化鋁和疏水鋁表面相比，最佳超疏水鋁表