一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法
【专利摘要】本发明公开了一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法。首先用金刚砂纸对铝合金片进行打磨，然后将其依次用丙酮和无水乙醇进行不少于20min的超声波清洗，恒温干燥箱烘干后放入预先配置好的硫酸钠（Na2SO4）、柠檬酸铵（C6H5O7(NH4)3）混合电解液中，铝合金片作阳极，不锈钢槽接阴极，两者之间施加300~500V的直流电压进行电解等离子体处理，构造微纳米双重阶层微观结构，然后放入去离子水中进行5min的超声波清洗以去除表面残留的反应生成物，再用十三氟辛基三乙氧基硅烷（C8F13H4Si(OC2H5)3）乙醇溶液进行10min的修饰，最后获得低润湿性的抗粘附表面。采用该方法获得的铝合金表面具有较低的润湿性和粘附性，以及良好的耐磨性，本发明方法无需危险的化学试剂及复杂昂贵的设备，工艺简单，重复性好，具有较强的工程应用价值。
【专利说明】—种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能材料、金属表面改性和防护领域，特别涉及一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法。
【背景技术】
[0002]模具与制品间的粘附力过大是使制品脱模困难的主要原因，粘附过程是一个复杂的物理、化学过程。粘附现象的产生是两相界面分子彼此接触，导致分子经过运动建立最合适的构型以达到吸附平衡，随后形成的分子间范德华力或跨越界面的化学键作用导致接触界面间各种粘附现象的产生。由粘附理论可知，模具与制品间的粘附强度，即粘附力不仅取决于界面力，还取决于接触界面状态和两本体相的机械性质。
[0003]鉴于铝合金优良的品质及性能，近年来被广泛应用于注塑、吹塑、吸塑及各类型模具等方面，涉及机械、电子、汽车、航空、轻工、医疗等制造领域。铝合金模具型腔的表面质量是决定制品质量及模具使用寿命的关键因素。一直以来，人们在保证型腔尺寸精度和形状精度的前提下，主要通过降低表面粗糙度、提高表面硬度等手段来改善模具表面状况。在使用性能方面，更多的是考虑其耐磨性、耐蚀性等要求。传统理论认为，若铝合金模具表面越光滑、接触界面的粗糙度越低，则模具与制品间的粘附力越小。于是人们尽量从提高模具表面的加工精度、降低表面粗糙度的角度入手，通过机械抛光、化学抛光、电解抛光(申请号为CN103484928A、CN101173361A的中国专利)、超声波抛光、流体抛光、磁力抛光等方法，希望实现铝合金模具表面抗粘附性能的改善。这种高精或超精加工对于界面法向粘附力的改善有着直接影响，但是对于降低界面切向粘附力的效果并不明显。
[0004]近年来，注塑、模压、层压、挤出等模具工艺的迅速发展，促进了脱模技术的更新换代，相继出现了脱模剂法、电渗法、表面改性法以及界面充气、充液和加热法等多种提高模具表面抗粘附性能的方法。其中，脱模剂(申请号为CN10838581A的中国专利)的应用和含铬镀层的处理最为普遍。虽然脱模剂`是一种介于模具和制品之间的功能性物质，能够防止橡胶、塑料等高聚物和其它材料的制品粘附到模具型腔表面，但脱模剂的使用场合常受到限制，难以控制，甚至带来产品质量缺陷——脱模剂使用过多，会影响制品外观，对制品彩饰也会产生不良后果，严重时，会使液体物料不能融合，橡塑制品表面形成线状熔接痕，极大地削弱制品的机械强度；脱模剂使用不足，又会造成脱模困难，而脱模不良，可造成制品表面白化、扭曲变形以致破裂等缺陷，甚至损伤铝合金模具。此外，在模具型腔表面镀铬、镀镍-磷-聚四氟乙烯等功能层，这些方法尽管能够降低高聚物的粘附力，利于胶料流动、减少制品脱模力，但镀层与基体结合强度较低，容易磨损，甚至会出现局部镀层片状脱落等现象，使得铝合金模具表面失去抗粘附这一重要性能。
[0005]目前，随着工程仿生学的发展，人们通过观察和研究自然界中各种生物的表面微观结构与化学组成，发现生活在粘湿土壤中的蜣螂、布甲、蚯蚓等动物的某些触土部位是由凹坑、凸包、条纹等单元体形态组成，这种多尺度微观结构正是动物体表具有良好的减粘脱附性能的重要原因。因此，通过分析多尺度微观结构与表面性质的关系，基于仿生学、界面化学等理论，运用现代加工技术，可以在铝合金模具表面制备出具有抗粘附性能的多尺度微观结构表面。当前，铝合金模具抗粘附表面研究在理论分析和制备技术两个方面得到快速发展，在制备方法上主要有模板法(Thieme, M.; Frenzel, T.; Schmidt, S.; Simon,F.;Henning, A.;fforch, H.;Lunkwitz, K.;Scharnweber, D.Adcanced EngineeringMaterials 2001, 3，691-695)、脱模剂法(申请号为 CN200480014225、CN201010251860 的中国专利)、、激光刻蚀法(Shan, H.Y.; Zhou, H.; Sun, N.; Ren, L.Q.; Chen, L.; Li,X.Z.Journal of Materials Processing Technology 2008, 199, 221-229)、电化学沉积 / 刻蚀法(Qian, B.T.; Shen, Ζ.Q.;Langmuir 2005，21，9007-9009)、溶胶-凝胶法(Yang, H.;Pi, P.H.; Cai, Z.Q.;ffen, X.F.;ffang, X.B.; Cheng, J.; Yang,Z.R.Applied Surface Science 2010，256，4095-4102)、阳极氧化法(Wang, H.;Dai,D.;ffu, X.D.;Applied Surface Science 2008, 254, 5599-5601)、等离子体聚合法(Efimenko, Κ.;Genzer, J.;Advanced Materials 2001, 13, 1560-1593)等。[0006]上述方法存在一定的不足:(1)化学刻蚀法需使用强酸、强碱等强腐蚀性化学试剂，对操作人员和环境的危害大；(2)化学沉积法所需的加工时间长，约20h ；(3)激光刻蚀法需要昂贵的激光发射器等设备，且受到设备空间的限制，很难实现大面积加工；(4)溶胶凝胶法需要预先制备出二氧化硅硅胶溶液，该溶液的制备时间较长。
[0007]此外，上述方法大多将抗黏附表面原本存在复杂耦合关系的表面粗糙度、表面微观形貌、表面化学组成割裂开来进行单独仿制，常常以耐磨性、耐蚀性等性能的牺牲或忽略为代价，来实现铝合金模具表面抗黏附这一单一性能。实际应用中，表面是否具有良好的耐磨特性也是评价铝合金模具好坏的一项重要指标。因此，如何使用一种简单、高效、安全的方法在铝合金模具基体上制备抗粘附耐磨表面显得尤为重要。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法，通过微纳米双重阶层微观结构的构建、含氟材料的修饰，显著提高铝合金工作表面的抗粘附性能，从而解决铝合金模具与制品粘附严重的问题。
[0009]一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
A、采用浓度为广5%的柠檬酸铵(C6H5O7(NH4)3)水溶液和浓度为0.5%~2%的硫酸钠(Na2SO4)水溶液作为混合电解质溶液，将该电解液温度加热并维持在60-80° C范围内；
B、将铝合金片用320#和2000#的金刚石砂纸依次进行打磨；
C、将打磨后的铝合金片依次浸泡在丙酮和无水乙醇溶液中，进行超声波清洗不少于20min ；
D、清洗后的铝合金片放入恒温干燥箱中进行风干；
E、将待处理的铝合金片为阳极，不锈钢槽为阴极，二者之间施加30(T500V的直流电压以产生电解等离子体进行f5min的加工，得到具有微纳米双重微观结构的铝合金表面；
F、将电解等离子体处理后的铝合金试片放入去离子水中进行5min的超声波清洗以去除表面残留的反应生成物；
G、将清洗处理后的铝合金片浸泡在温度维持在60°C的十三氟辛基三乙氧基硅烷(C8F13H4Si (OC2H5)3)乙醇溶液中，时间不少于2min ；
H、取出被浸泡后的铝合金片，依次进行无水乙醇、丙酮淋洗，烘干后便可获得抗粘附表面。
[0010]由上述发明技术方案可以看出，本发明的一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法，首先用金刚砂纸对铝合金片进行打磨，然后将其依次用丙酮和无水乙醇进行不少于20min的超声波清洗，恒温干燥箱烘干后放入预先配置好的硫酸钠(Na2S04)、柠檬酸铵(C6H5O7(NH4)3)混合电解液中，铝合金片作阳极，不锈钢槽接阴极，两者之间施加30(T500V的直流电压进行电解等离子体处理，构造微纳米双重阶层微观结构，然后放入去离子水中进行5min的超声波清洗以去除表面残留的反应生成物，再用十三氟辛基三乙氧基硅烷(C8F13H4Si(OC2H5)3)乙醇溶液进行IOmin的修饰，最后获得低润湿性的抗粘附表面。本发明方法与现有技术相比，具有如下突出的优点和效果。
[0011]本发明方法简单实用，无需强酸、强碱等强腐蚀性化学试剂及复杂昂贵的设备，容易实现对大面积铝或铝合金件进行抗粘附表面的制备。
[0012]本发明方法制备的铝合金抗粘附表面具有典型的微纳米双重结构，其微米形貌为5~10微米左右的凹坑，纳米形貌为微米凹坑上的纳米线或纳米点状凸起。
[0013]本发明方法得到的抗粘附表面具有很好的低润湿性和耐磨性，水滴在其上的接触角达164°，滚动角和表面粗糙度Ra分别为2°、0.41 μ m，表面显微硬度却高达2670MPa。
[0014]本发明方法将铝合金表面抗粘附的制备和表面耐磨性、表面光洁度的提高同时进行，极大地简化了制备工艺。
[0015]本发明方法不仅适用于平面铝合金材料表面，还适用于弯管、直管等其它形状的壁面或表面。`【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1在铝合金基体上获得的抗粘附表面的扫描电镜图。
[0017]图2在铝合金基体上获得的抗粘附表面的扫描电镜图。
[0018]图3在铝合金基体上获得的抗粘附表面的粘附力变化趋势图。
[0019]图4在铝合金基体上获得的抗粘附表面的低润湿性示意图。
[0020]图5在铝合金基体上获得的抗粘附表面的粗糙度Ra示意图。
[0021]图6在铝合金基体上获得的抗粘附表面的低粘附性示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例1对本发明进一步说明。
[0023]实施例1:
本发明的一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法，其较佳的【具体实施方式】是:取浓度为5%的C6H5O7(NH4)3水溶液和浓度为1%的Na2SO4水溶液组成混合电解液，该电解液温度维持在70°C。将50mmX50mmX2mm的铝合金片(纯度为99.9%)分别用320#和2000#金刚石砂纸打磨去除表面的氧化物，将打磨后的铝合金片依次浸泡在丙酮和无水乙醇溶液中，进行25min的超声波清洗，清洗后的铝合金片放入恒温干燥箱中进行风干。将干燥后的铝合金片为阳极，放入盛有C6H5O7(NH4)P Na2SO4构成的混合电解质溶液不锈钢槽中，以不锈钢槽为阴极，并在二者之间施加350V的直流电压以产生电解等离子体，并用恒温槽维持电解液温度为80°，进行3min的电解等离子体加工，在铝合金片表面得到微纳米双重阶层微观结构。将铝合金片取出后，在去离子水中进行5min的超声波清洗，然后放入预先配置好的C8F13H4Si (OC2H5)3乙醇溶液(lwt%)里浸泡3min，取出后依次进行无水乙醇、丙酮淋洗。烘干后，即可获得同时具有低表面粗糙度、低润湿性、高硬度的抗粘附表面。扫描电镜显示，铝合金片表面存在微米级的凹坑结构和纳米级的台阶状凸起组成的微纳米双重阶层粗糙结构。水滴在该表面上的接触角达164°，滚动角和表面粗糙度Ra仅为2° ,0.41 Um0此外，该表面的显微硬度 高达2670MPa。
【权利要求】
1.一种电解等离子体制备铝合金抗粘附表面的方法，其特征在于该方法依次包括以下步骤: A、采用浓度为广5%的柠檬酸铵(C6H5O7(NH4)3)水溶液和浓度为0.5%~2%的硫酸钠(Na2SO4)水溶液作为混合电解质溶液，将该电解液温度加热并维持在60-80° C范围内； B、将铝合金片用320#和2000#的金刚石砂纸依次进行打磨； C、将打磨后的铝合金片依次浸泡在丙酮和无水乙醇溶液中，进行超声波清洗不少于20min ； D、清洗后的铝合金片放入恒温干燥箱中进行风干； E、将待处理的铝合金片为阳极，不锈钢槽为阴极，二者之间施加30(T500V的直流电压以产生电解等离子体进行f5min的加工，得到具有微纳米双重微观结构的铝合金表面； F、将电解等离子体处理后的铝合金试片放入去离子水中进行5min的超声波清洗以去除表面残留的反应生成物； G、将清洗处理后的铝合金片浸泡在温度维持在60°C的十三氟辛基三乙氧基硅烷(C8F13H4Si (OC2H5)3)乙醇溶液中，时间不少于2min ； H、取出被浸泡后 的铝合金片，依次进行无水乙醇、丙酮淋洗，烘干后便可获得抗粘附表面。
【文档编号】C25D11/06GK103882495SQ201410151757
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2014年4月16日
【发明者】孟建兵, 董小娟, 魏修亭 申请人:山东理工大学