一种耐磨蚀超疏水表面的制备方法与流程

本发明涉及金属表面处理及改性领域，具体涉及一种耐磨蚀超疏水表面的制备方法。

背景技术：

作为一种特殊的润湿性状态，超疏水表面近年来受到广泛关注，其表面固-液-气三相界面典型的cassie-baxter模型接触使超疏水材料在表面自清洁、油水分离、防雾防冰、流体减阻、海洋防腐防污等领域展现出良好的应用潜力。目前制备超疏水表面的主要方法大多都是基于表面微纳结构的构建和低表面能修饰。

然而，当超疏水表面受到机械摩擦时，其表面的微观结构很容易受到磨损和破坏，进而导致表面超疏水特性的丧失，超疏水表面机械稳定性欠佳一直是限制其在各领域大面积推广应用的关键问题，因此如何制备得到耐磨性优异的超疏水表面具有重要的现实意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种耐磨蚀超疏水表面的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种耐磨蚀超疏水表面的制备方法，将表面处理后的基材在以草酸水溶液作为电解质溶液中进行恒压阳极氧化，氧化后进行低表面能分子修饰、热处理即可在基材表面形成耐磨蚀超疏水表面。

所述恒压阳极氧化为将表面处理后基材置于双电极阳极氧化体系中，以草酸水溶液作为电解质溶液，基材为阳极，铂电极为阴极，35-50v电压下阳极氧化5-15min。

所述阳极氧化后将试样基材，用去离子水和无水乙醇分别反复清洗。

所述草酸水溶液浓度为0.2-0.4mol/l。

进一步的说，将氧化后基材室温下浸没于全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中5-120min，而后取出于100-200℃下加热处理10-60min；所述浸没一般在室温浸泡即可，浸泡时间5-120min，使得基材表面修饰和覆盖一层低表面能的氟硅烷分子。

所述全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中全氟癸基三乙氧基硅烷的浓度为1-3％。

所述基材表面进行前处理：首先将试样置于无水乙醇和去离子水中超声清洗，随后采用不同目数(200、400、800、1200、2000)的sic砂纸打磨基体。

一种耐磨蚀超疏水膜，按照所述方法于基材表面形成耐磨蚀超疏水膜。

上述基材为铝合金或高纯铝。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明制备工艺方法简单、重复性好，采用目前应用广泛的阳极氧化技术作为构筑微纳结构的主要手段，成本低廉、便于大面积推广应用。

(2)本发明制备方法得到的超疏水表面具有低黏附力和优异的自清洁特性，而且能够大幅增加腐蚀介质在表面的电荷转移电阻，此外，表面微观结构展现出优异的机械稳定性，这将为超疏水表面在实际的使用环境中提供更稳定的耐磨性能和抗腐蚀性能，为轻金属材料在海洋腐蚀与防护领域的应用提供重要支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提的超疏水处理5083铝合金表面的静态接触角。

图2为本发明实施例提的超疏水处理5083铝合金与空白试样的能奎斯特图；其中，图a为超疏水试样的能奎斯特图，图b为空白试样的能奎斯特图。

图3为本发明实施例提的5083铝合金表面的静态接触角。。

图4为本发明实施例提的超疏水处理5083铝合金表面的机械稳定性效果图。

具体实施方式

下面将结合具有实施例对本发明作进一步说明：本实施方式记载的是一种耐磨蚀超疏水表面的制备方法，具体步骤如下：

(1)对基材表面进行前处理：首先将试样置于无水乙醇和去离子水中超声清洗，随后采用不同目数(200、400、800、1200、2000)的sic砂纸打磨基体；

(2)草酸水溶液恒压阳极氧化：将草酸溶于去离子水中制备得到0.2-0.4mol/l电解质溶液，随后将试样置于双电极阳极氧化体系中，其中试样为阳极，铂电极为阴极，反应体系在35-50v恒压下进行阳极氧化，氧化5-15min后将试样取出，用去离子水和无水乙醇分别清洗多次，去掉残留的电解质溶液；

(3)低表面能分子修饰：配制浓度为1-3％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，将试片置于该溶液中浸泡5-120min后取出；

(4)热处理：将试样置于坩埚中在100-200℃烘箱中加热处理，加热10-60min后取出冷却至室温，即可获得所述的耐磨蚀超疏水表面。

实施例1：

(1)对5083铝合金表面进行前处理：首先将5083铝合金试样置于无水乙醇和去离子水中超声清洗，随后依次采用200、400、800、1200、2000不同目数的sic砂纸打磨基体；

(2)草酸水溶液恒压阳极氧化：将草酸溶于去离子水中制备得到0.3mol/l的电解质溶液，随后将试样置于双电极阳极氧化体系中，其中5083铝合金为阳极，铂电极为阴极，反应体系在40v恒压条件下进行阳极氧化，反应10min后将试样取出，用去离子水和无水乙醇分别清洗多次，去掉残留的电解质溶液；

(3)低表面能分子修饰：配制浓度为1％的全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，将试片置于该溶液中浸泡20min后取出；

(4)热处理：将试样置于坩埚中在120℃烘箱中加热处理，20min后取出冷却至室温，即可获得所述的耐磨蚀铝基超疏水表面。

经接触角测量仪座滴法检测制备得到的超疏水表面，其静态接触角达到164.7°(如图1所示)，而未处理的5083铝合金的静态接触角仅为81.2°(如图3所示)。

应用例1

采用电化学工作站三电极体系对上述基材表面形成的超疏水表面进行电化学阻抗谱测试，同时以未作处理的基材(5083铝合金表面)作为对照；

所述三电极体系，其中，实施例1处理后基材或未作处理的基材为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，测试频率范围为10⁵～10^-2hz(参见图2)。

由图2超疏水5083铝合金与空白试样的能奎斯特图可见，超疏水表面的容抗弧半径大幅增加，经数据拟合可得电荷转移电阻由空白的3.56×10⁴ω·cm²提升至2.39×10⁷ω·cm²，增加了3个数量级，缓蚀效率达到99.85％。

应用例2

对上述实施例1处理后基材进行机械稳定性的测试：

具体为：通过一定压力载荷下的磨损过程来评价制备得到的超疏水5083铝合金的机械稳定性，于上述实施例1获得基材置于1000目的砂纸上，并于基材上方承重100g物理载荷，通过推动工具将基材沿着水平方向移动10cm，随后沿着反向的水平方向移动10cm，一个摩擦来回的磨损距离为20cm，即为一个磨损循环，经过测试表面接触角与磨损距离之间的关系(参见图4)。

如图4所示，结果显示制备得到的超疏水表面在条件下磨损实验中表现优异，样品在经过22个磨损循环后表面的静态接触角仍维持在150°以上，展现出良好的机械稳定性。

技术特征：

技术总结
本发明涉及金属表面处理及改性领域，具体涉及一种耐磨蚀超疏水表面的制备方法。将表面处理后的基材在以草酸水溶液作为电解质溶液中进行恒压阳极氧化，氧化后进行低表面能分子修饰、热处理即可在基材表面形成耐磨蚀超疏水表面。本发明方法制备工艺简单、重复性好、成本低廉、便于大面积推广，所得的超疏水表面接触角达到164.7°，具有优异的自清洁、耐磨和耐蚀性能，在海洋腐蚀与防护领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：张斌斌;徐玮辰;李红玲;侯保荣
受保护的技术使用者：中国科学院海洋研究所
技术研发日：2019.01.22
技术公布日：2019.04.16