超疏水鋁合金表面的仿生構(gòu)建.pdf

1、超疏水表面因其獨特的性能和潛在的應(yīng)用前景引起了廣泛的研究興趣，但對金屬超疏水表面的制備和性能研究才剛剛起步。本文通過對制備鋁合金超疏水材料的常規(guī)化學(xué)處理液、電解液的科學(xué)配方和工藝參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采用普通有機(jī)材料對鋁合金表面進(jìn)行修飾改性，探索一種用化學(xué)、電化學(xué)方法生成微納米表面與高分子材料覆膜改性相結(jié)合的制備方法，構(gòu)建了具有微米或微納米結(jié)構(gòu)的鋁合金超疏水表面。多層次有序地展開了對超疏水鋁合金表面綜合性能的研究，旨在開發(fā)具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

2、前景的制備方法，并獲得具有穩(wěn)定微納米結(jié)構(gòu)和超疏水性能的鋁合金新材料，為實現(xiàn)進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和推廣提供理論支持，論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　1.以鋁鎂合金和鋁錳合金為基材，分別采用酸刻蝕法、原電池腐蝕法、硝酸鹽法、磷酸-鉻酸鹽法、硫酸陽極氧化法制備了超疏水鋁合金紋理粗糙表面，進(jìn)行了表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的分析。粗糙表面經(jīng)硬脂酸(SA)乙醇溶液浸涂后，均實現(xiàn)了超疏水特性，接觸角大于150°，滾動角小于10°。表面形成的不規(guī)則

3、多孔結(jié)構(gòu)與荷葉表面乳突結(jié)構(gòu)的尺寸類似，孔深約5-25μm，孔徑約5-20μm。以經(jīng)酸刻蝕法、原電池腐蝕法、硫酸陽極氧化法和磷酸-鉻酸鹽法制備的表面較為光整。
　　2.對鋁合金超疏水表面的潤濕特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，分析了紋理刻蝕表面的粗糙度對疏水性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)表面粗糙度的增加可以增強(qiáng)表面的疏水性。分析了覆膜材料和工藝對表面潤濕性的影響，親水性的鋁合金刻蝕后具有超親水性，分別經(jīng)浸覆聚丙烯、聚苯乙烯、馬來酸酐接枝聚丙烯和硅烷-聚

4、丙烯膜，均實現(xiàn)了超疏水性，改性聚丙烯還可增加表面的疏水性能。對超疏水表面的潤濕特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，實驗發(fā)現(xiàn)超疏水表面在pH為5～11的溶液和濃度小于5％的有機(jī)溶劑中能保持良好的疏液特性和穩(wěn)定性，在相對濕度為30％～70％，溫度變化范圍為10℃～40℃的環(huán)境中，仍能保持長期的疏水穩(wěn)定性，聚丙烯覆膜表面在100℃下可保持良好的疏水穩(wěn)定性。相比硬脂酸、聚乙烯、高密度聚乙烯、聚苯乙烯覆膜表面，硬脂酸膜表面具有室溫長效穩(wěn)定性，聚丙烯膜表面具有

5、更好的超疏水性和力學(xué)性能。
　　3.探尋了不同的酸刻蝕劑組方的刻蝕效果及對表面疏水性能的影響，實驗表明相同化學(xué)成分的物質(zhì)因其表面結(jié)構(gòu)不同，顯示出不同的潤濕特性。對不同的酸溶液濃度及浸泡時間對疏水性的影響進(jìn)行了分析，得到了0.08 mol/L草酸與1 mol/L鹽酸溶液混合刻蝕15h及1％硬脂酸乙醇溶液浸泡30 min的最佳反應(yīng)條件，并簡略分析了這種微細(xì)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。通過鹽酸，草酸混合刻蝕與低表面能物質(zhì)硬脂酸修飾相結(jié)合的方法成功制

6、備出了鋁合金基體上的超疏水表面，并以此方法獲得了適用于實際應(yīng)用的短時間制備方法。
　　4.研究了硫酸陽極氧化工藝和覆膜工藝對構(gòu)建鋁合金超疏水表面的影響，獲得了最大接觸角可達(dá)162.0°，最小滾動角為2.0°的鋁合金超疏水表面。鋁合金經(jīng)過硫酸陽極氧化后生成了無規(guī)多孔的微納米二級結(jié)構(gòu)，經(jīng)覆膜處理后表面呈微米球和微米孔復(fù)合結(jié)構(gòu)。對比了聚丙烯、聚苯乙烯、馬來酸酐接枝聚丙烯和硅烷-聚丙烯膜四種不同覆膜表面對潤濕性的影響，硅烷-聚丙烯膜的疏水

7、性能最佳，并且有更好的耐久性。以此方法對某企業(yè)現(xiàn)有陽極氧化工藝進(jìn)行了改進(jìn)，得到了最佳工藝參數(shù)，即:1.803 mol/L的硫酸、0.068 mol/L的重鉻酸鉀、0.079 mol/L的草酸、2.57 mol/L的氯化鈉和1.37 mol/L的甘油;以鋁片為陽極，石墨為陰極;控制電流密度為1.2 A/dm2，反應(yīng)時間均為30 min。
　　5.通過原電池腐蝕法用廉價的氯化鈉為電解質(zhì)溶液成功構(gòu)建了由鋁表面不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超疏水硬

8、脂酸鹽膜表面，接觸角值達(dá)到154°。表面孔徑約15-20μm，孔深約5-10μm，與荷葉表面微細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸類似。分析了氯化鈉溶液中的Cl-對表面形成多孔結(jié)構(gòu)的原理以及其對構(gòu)建鋁合金超疏水表面的影響，研究發(fā)現(xiàn)微米級多孔結(jié)構(gòu)的尺度大小是構(gòu)建超疏水表面的關(guān)鍵因素之一，而納米粒子的聚集有助于提高表面的疏水性。
　　6.對鋁合金超疏水表面的自清潔性、防凍抑霜性、抑菌性、耐蝕性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明超疏水鋁合金表面具有良好的自清潔性能。在結(jié)冰

9、溫度下超疏水鋁合金表面具有延遲凍結(jié)與抑霜功能，從潤濕性理論和熱力學(xué)理論分析了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。通過奎因法、貼膜法、振蕩燒瓶法測試了超疏水鋁合金表面的抑菌性能，研究表明超疏水鋁合金樣片對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌率隨著接觸角的增大而明顯提高，當(dāng)接觸角達(dá)到164°時抑菌率分別可達(dá)到89.7％和91.2％。通過極化曲線的測定及不同pH值溶液下的浸泡實驗，發(fā)現(xiàn)超疏水鋁合金較普通鋁合金具有更好的耐鹽腐蝕性能，弱酸和弱堿環(huán)境中的耐腐蝕性較好，

10、但強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境中的耐腐蝕性能不佳。
　　7.對聚丙烯超疏水鋁合金表面的結(jié)合力與耐久性改進(jìn)及其機(jī)理進(jìn)行了研究，研究表明硅烷化處理有助于提高鋁合金與聚丙烯或馬來酸酐接枝聚丙烯涂層的結(jié)合力，在鋁合金表面形成了一層高分子層聚硅氧烷，并形成了化學(xué)鍵Si-O-Al。馬來酸酐接枝聚丙烯提高了涂層的極性，在一定程度上降低了涂層表面的超疏水性能，但加涂一層聚丙烯，表面的超疏水性會得到改善。其疏水性與涂覆溶液濃度有關(guān)，添加納米顆粒，不僅促進(jìn)了涂層結(jié)