一种超润滑铝表面的制备方法与流程

本发明属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术：

铝是自然界中分布最多的金属元素，其产量和用量仅次于钢铁。相比于其他金属材料而言，铝具有储量大、比强度高、导电导热性好等优点，在建筑、包装、航空航天、汽车制造等领域得到广泛的应用。然而，铝表面在使用过程中容易发生表面污染、结冰结霜和表面腐蚀等问题，这严重限制了铝材料的使用性能和使用寿命。因此，对铝材料进行表面改性以提升其防污染、防腐蚀及抗结冰结霜能力对进一步提升铝的应用价值具有重要意义。

仿生超疏水和超疏油表面的研究自上世纪九十年代起一直受到人们的青睐。研究者们采用阳极氧化、化学刻蚀、机械加工和溶胶-凝胶等方法在各种金属基底上成功制备出具有自清洁、防腐蚀和抗结冰结霜特性的超疏水或超疏油表面。这类表面主要依靠微纳米复合结构捕获空气形成空气膜来实现疏液效果，由于空气膜的不稳定性和结构的脆弱性，该类表面普遍存在压力稳定性差、疏液范围有限以及机械耐磨性差的问题。而超润滑表面主要是靠不与液体互溶的润滑油来实现疏液的，较超疏水和超疏油表面而言，具有疏液范围广、压力稳定性好和自修复能力强的优势。在2011年，《nature》上发表的一篇题为仿生自修复光滑表面与压力稳定性的文章首次提出仿猪笼草超润滑表面的制备，其制备的环氧树脂超润滑表面能够抵抗各种极性液体和非极性液体的粘附，显示出优秀的防污染、抗结冰和抗腐蚀特性。但该制备工艺的适用范围有限，不能推广到金属基底上。专利号为cn104451811a的专利公开了一种在金属表面形成超润滑表面的方法。首先将预处理过的金属基材在酸电解液中进行阳极氧化，再将基材依次放入二甲基硅油、氟硅烷和全氟聚醚中浸泡一定时间。该工艺虽能制备出疏液性能好的超润滑表面，但存在加工效率低，污染大的劣势，难以实现大规模生产。专利cn105237797a提出了一种具有凹槽状基底超润滑表面的制备方法，其过程是通过水热法在凹槽状基底上生长四氧化三钴，再用全氟润滑液浸泡，即可得到超润滑表面。但该制备工艺对基底要求十分严格，仅适用于凹槽状基底，适用范围有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单实用的超润滑铝表面的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）预处理：采用800#、1200#和1500#的金相砂纸依次沿横向和纵向对铝片进行打磨，除去表面氧化层。打磨后用无水乙醇和去离子水各超声清洗5~10min；

（2）表面粗糙化：将干净的铝片放入浓度为0.5~1mol/l的氯化铜溶液中刻蚀0.5~4min。刻蚀后超声清洗10~20min，烘干；

（3）表面修饰：将烘干后的铝片放入质量分数不低于1%的1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡1~3h，然后将铝片取出烘干；

（4）润滑油涂覆：将全氟聚醚润滑油均匀涂覆到铝片表面，自然风干。

本发明中，所述的预处理过程采用不同目数的金相砂纸依次沿纵向和横向打磨铝片。

本发明中，所述的表面粗糙化过程采用化学刻蚀法，刻蚀剂为非腐蚀性氯化铜溶液，浓度为0.5~1mol/l。

本发明中，所述的表面修饰过程采用的是1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷醇溶液，其质量分数不低于1%。

本发明中，所述的润滑油涂覆过程采用的润滑油是全氟聚醚，涂覆方式为浸涂。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法不受基材形状和尺寸的限制、加工效率高，易实现大规模生产。本发明所述方法无需使用任何腐蚀性溶液，清洁环保，符合可持续发展战略要求。（2）本发明所述方法制备的超润滑表面具有疏液性能好、疏液范围广、使用寿命长的优点。该表面对水滴的最小滑动角（sa）为4°，最大接触角（ca）为110°，对无水乙醇、原油等液体均表现出优秀的疏液性能，制备的超润滑铝表面使用寿命长达两个月以上。（3）本发明所述方法制备的超润滑铝表面具有强大的自修复作用和压力稳定性，弥补了超疏水和超疏油表面的不足之处。（4）本发明所述制备方法可推广到镁、钛及其合金基材上，适用范围广。

附图说明

图1为实施例1中打磨后的铝表面扫描电镜照片。

图2为实施例1刻蚀后的铝表面扫描电镜照片。

图3为实施例2经氟硅烷修饰后的铝表面x射线光电子能谱表征结果。

图4为实施例2去离子水在超润滑铝表面的接触角示意图。

图5为实施例3去离子水在超润滑铝表面上的滑动示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例提供一种超润滑铝表面的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）预处理：采用800#、1200#和1500#的金相砂纸依次沿横向和纵向对铝片进行打磨，然后用无水乙醇和去离子水各超声清洗8min；

（2）表面粗糙化：将铝片放入浓度为0.6mol/l氯化铜溶液中刻蚀3min，刻蚀后用去离子水超声清洗15min，然后烘干；

（3）表面修饰：将铝片放入质量分数为1.5%的1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡1h，取出，烘干；

（4）润滑油涂覆：将干燥后的铝片浸入全氟聚醚润滑油中10s，取出后自然风干即可得到超润滑铝表面，对水滴的平均滑动角为7.6°。

实施例2

本实施例提供一种超润滑铝表面的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）预处理：采用800#、1200#和1500#的金相砂纸依次沿横向和纵向对铝片进行打磨，然后用无水乙醇和去离子水各超声清洗10min；

（2）表面粗糙化：将铝片放入浓度为0.8mol/l氯化铜溶液中刻蚀1min，刻蚀后用去离子水超声清洗10min，然后烘干；

（3）表面修饰：将铝片放入质量分数为1.5%的1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡1.5h，取出，烘干；

（4）润滑油涂覆：将干燥后的铝片浸入全氟聚醚润滑油中10s，取出后自然风干即可得到超润滑铝表面，对水滴的平均滑动角为6.2°。

实施例3

本实施例提供一种超润滑铝表面的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）预处理：采用800#、1200#和1500#的金相砂纸依次沿横向和纵向对铝片进行打磨，然后用无水乙醇和去离子水各超声清洗5min；

（2）表面粗糙化：将铝片放入浓度为1mol/l氯化铜溶液中刻蚀40s，刻蚀后用去离子水超声清洗10min，然后烘干；

（3）表面修饰：将铝片放入质量分数为1%的1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡2h，取出，烘干；

（4）润滑油涂覆：将干燥后的铝片浸入全氟聚醚润滑油中10s，取出后自然风干即可得到超润滑铝表面，对水滴的平均滑动角为4.0°。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种简单实用的超润滑铝表面的制备方法，属于金属表面处理技术领域。本发明所述方法首先对铝片进行化学刻蚀，在其表面构造出粗糙结构，然后进行表面修饰，降低其表面能。最后在铝表面涂上润滑油便可得到疏液范围广的超润滑铝表面。该表面能够长期抵抗各种液体的污染，并具有抗结冰和防腐蚀效果。本发明所述的制备方法具有工艺简单、加工效率高、成本低和污染小的特点，易实现大规模制备，并且制备的超润滑表面具有强大的自修复效果，能够满足实际应用的要求。

技术研发人员：邓瑞;项金钟;胡永茂
受保护的技术使用者：云南大学
技术研发日：2017.04.25
技术公布日：2017.09.08