【摘要】：鋁也是有色金屬領(lǐng)域中使用最廣泛的金屬之一。鋁合金具有良好的物理、化學(xué)性能在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用以及具有外觀好、質(zhì)輕、延展性和很好的機(jī)械加工等特性,但在惡劣的工作環(huán)境下容易受到污染或損傷,而且在潮濕和鹽水等環(huán)境中很容易被腐蝕,失去其使用價(jià)值。而且自然界中的荷葉、水稻葉等具有自清潔、耐腐蝕和損傷自修復(fù)等功能,研究人員對(duì)自然界中荷葉表現(xiàn)出來的“荷葉效應(yīng)”這一現(xiàn)象進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有超疏水性(與水接觸角大于150°且滾動(dòng)角低于10°),因而表現(xiàn)出很好的耐腐蝕、防污和防覆冰等性能。鋁合金在工業(yè)和日常生活中得到了更加廣泛的應(yīng)用。因此,探索簡單有效的方法來制備超疏水鋁合金表面,從而改善其表面耐腐蝕和防污自清潔性能等就顯得尤為重要。在本研究中,我們提出了在無需對(duì)鋁合金表面進(jìn)行打磨處理的情況下,通過一步簡便、環(huán)境友好的醇水溶液浸泡法構(gòu)建得到超疏水鋁合金表面這一方法。該方法制備過程簡單,對(duì)設(shè)備要求低,環(huán)保且成本低。而且制備得到的超疏水鋁合金表面呈現(xiàn)出疏水普適性、多樣性和良好的穩(wěn)定性,并且具有優(yōu)異的耐腐蝕和防污性能。本研究通過兩步法(沸水處理+乙醇-硬脂酸STA-H_2O浸泡)和一步法(乙醇-STA-H_2O浸泡)分別成功構(gòu)建得到了鋁合金超疏水表面,對(duì)所制備的超疏水鋁合金的表面結(jié)構(gòu)、組成以及耐腐蝕、防污自清潔性能等進(jìn)行了詳細(xì)研究,主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)兩步法構(gòu)建超疏水鋁合金表面:在不對(duì)鋁合金試樣進(jìn)行打磨處理的情況下用成本低廉、環(huán)保的兩步法成功構(gòu)建得到接觸角為153.8°、滾動(dòng)角小于5°的超疏水鋁合金表面。對(duì)沸水處理時(shí)間、乙醇-H_2O體積比和STA改性時(shí)間對(duì)超疏水鋁合金的表面微結(jié)構(gòu)和表面潤濕性能的影響進(jìn)行研究,結(jié)果表明:隨著沸水處理時(shí)間延長、乙醇-H_2O體積比減小和STA改性時(shí)間的增加,鋁合金表面由原來相對(duì)比較平滑和平整的形貌逐漸變成“條蟲”狀的粗糙結(jié)構(gòu),表面接觸角逐漸增大。但是繼續(xù)增加沸水處理時(shí)間、降低乙醇-H_2O體積比和延長STA改性時(shí)間后,接觸角反而持續(xù)減小,表面形貌由獲得最佳疏水性的大量微-納米孔的花瓣?duì)罹|(zhì)層狀結(jié)構(gòu)逐漸變得“紊亂”。最終確定出在沸水處理時(shí)間為5 min、乙醇-H_2O體積比為1:1和STA改性時(shí)間為50 h時(shí)可以獲得最佳超疏水性能。通過掃描電鏡(FE-SEM)和紅外光譜(FT-IR)分別對(duì)鋁合金表面的微觀形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:所制備的鋁合金表面具有大量微米-納米孔的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu),且表面接枝有低表面能物質(zhì)硬脂酸鋁,也正是這兩者共同作用賦予了鋁合金表面良好的超疏水性能。(2)一步法構(gòu)建超疏水鋁合金表面:本研究同樣在不對(duì)鋁合金試樣進(jìn)行打磨處理的情況下,采用更為簡便的一步浸泡法處理工藝來制備超疏水鋁合金表面,探索了乙醇-H_2O體積比和STA改性時(shí)間對(duì)鋁合金表面微結(jié)構(gòu)及潤濕性能的影響。結(jié)果表明:當(dāng)乙醇-H_2O的體積比為2:1、60°C下STA改性時(shí)間為60 h時(shí)可以獲得接觸角高達(dá)153.6°、滾動(dòng)角小于5°的超疏水表面。由于鋁合金表面形成了大量微-納米級(jí)空穴結(jié)構(gòu),其上接枝了低表面自由能的烴基疏水長鏈,空穴中留存有大量空氣,因而水滴不能滲入其中而只能與表面突起相接觸,表面受到外界稍微擾動(dòng),水滴便會(huì)滾落,因此鋁合金表面便獲得了優(yōu)異的超疏水特性,而且其超疏水性能呈現(xiàn)出多樣性、普適性和良好的穩(wěn)定性。(3)超疏水鋁合金的耐腐蝕性能:采用電化學(xué)測試對(duì)超疏水鋁合金的耐腐蝕性能進(jìn)行了考察。結(jié)果表明:相較于空白鋁合金,超疏水鋁合金的腐蝕電位正向移動(dòng)而腐蝕電流密度顯著減小。說明超疏水膜抑制了鋁合金的腐蝕反應(yīng)過程,從而提高了鋁合金的耐腐蝕性能,這是由于超疏水膜可以在界面處有效地捕捉大量的空氣,阻礙了水中的腐蝕性介質(zhì)與鋁合金表面的直接接觸,從而提高了鋁合金的耐腐蝕性能。(4)超疏水鋁合金表面的防污自清潔性能:采用滾動(dòng)水滴帶走碳粉和泥漿滾落兩種方法對(duì)超疏水鋁合金的防污自清潔性能進(jìn)行了考察。研究結(jié)果表明:當(dāng)水滴入覆蓋有碳粉、傾角為4°的空白鋁合金表面時(shí),水滴呈鋪展?fàn)顟B(tài)而黏附于試樣表面,所以不能帶走試樣表面的碳粉。然而,水滴在超疏水鋁合金表面呈現(xiàn)球形形態(tài)且具有低黏附性,極易從超疏水表面滾離并攜帶走碳粉,使得超疏水鋁合金表面具有自清潔防污性能。同樣,由于空白鋁合金樣品具有親水性,而超疏水的鋁表面具有極強(qiáng)的疏水性。當(dāng)將兩種鋁合金試樣浸入泥漿再提拉時(shí),泥漿球滴迅速從超疏水鋁合金表面滾落而未留下任何痕跡。相對(duì)而言,泥漿不能從空白鋁合金表面移開而仍然粘附于其表面。因此,以上兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明碳粉、泥漿等模擬污染物與超疏水鋁合金表面之間的粘附力很弱,通過滴注水滴或輕微的擾動(dòng)等就可以清除污染物,使超疏水鋁合金始終能夠保持干凈的表面。于是超疏水鋁合金表面具有優(yōu)異的防污自清潔性能。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

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1 晏忠鈉;車彥慧;馮利邦;強(qiáng)小虎;劉艷花;;超疏水鋁合金表面的防覆冰和防黏附行為[J];材料工程;2015年09期

2 何家文;;追溯歷史評(píng)表面形變納米化[J];中國表面工程;2014年05期

3 汪懷遠(yuǎn);孟e，

本文編號(hào)：2600901