一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無氟無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法。鋁或鋁合金先后經(jīng)過簡單的鹽酸刻蝕、水煮沸即可以穩(wěn)定地得到微米、納米二元復(fù)合的分級結(jié)構(gòu)；采用旋涂法，在微納分級的鋁基表面旋涂一層不含氟、無毒、廉價的聚二甲基硅氧烷溶液，固化后形成有機(jī)膜層，即可以得到與水接觸角達(dá)到158°，滾動角為2°的超疏水表面。上述超疏水表面還可以超疏強(qiáng)酸、超疏強(qiáng)堿，同時由于有機(jī)膜層的保護(hù)作用，具有良好的持久穩(wěn)定性。本發(fā)明具有無氟、無毒、操作簡便、經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)。
【專利說明】
一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及超疏水材料領(lǐng)域，具體涉及一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]荷葉表面的自清潔能力引起了人們極大的興趣，啟發(fā)科學(xué)家們進(jìn)行了一系列的研究。Barthlott和Neinhuis首先報道了水滴在荷葉表面的滑落現(xiàn)象與荷葉表面的特殊乳突結(jié)構(gòu)和覆蓋在特殊結(jié)構(gòu)上的低表面能物質(zhì)有關(guān)。L.Jiang等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步解釋:微米、納米二元復(fù)合分級結(jié)構(gòu)是水滴在荷葉表面具有超過150°接觸角和低于10°滾動角的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。基于這些理論基礎(chǔ)，科學(xué)家們發(fā)明了許多制備超疏水材料的制備方法，并且還發(fā)現(xiàn)超疏水材料在抗冰防霜，防腐，抗氧化等方面有著優(yōu)異的表現(xiàn)。申請?zhí)枮?01510125518.9公開了一種把金屬鋁放入NaOH溶液中氧化并放入全氟壬烷中修飾得到了超疏水、酸、堿的仿生超疏水表面；申請?zhí)枮?01120167775.X提供了一種在鋼板上涂鍍鋅層、鉻酸鹽皮膜、氨基改性環(huán)氧樹脂涂層、十三氟辛基三乙氧基修飾的微納米級二氧化娃粒子堆積的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)低表面能涂層等層層涂覆的方法，實(shí)現(xiàn)了鋼基板上的自清潔功能；申請?zhí)枮?01510289712.4公開了一種將金屬基底浸入酸-鹽溶液中并放入全氟硅烷水溶液中的方法得到了具有超疏水表面的鋁、銅、鋅、不銹鋼等金屬基材料。
[0003]以上所述的方法均在金屬基材料上實(shí)現(xiàn)了超疏水性能，但和絕大多數(shù)的制備方法一樣使用了昂貴有毒的含氟的修飾劑，并且在復(fù)雜的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中并不一定能持久性超疏水性能。因此，探索工藝簡單、成本低廉、環(huán)境友好、性能優(yōu)良的超疏水材料仍然很有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]
本發(fā)明的目的是提供一種無氟、無毒、操作簡單、重復(fù)性好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、不需昂貴設(shè)備和材料的招基超疏水材料的制備方法。同時，所制備的招基表面可以超疏強(qiáng)酸、超疏強(qiáng)喊。
[0005]本發(fā)明得到鋁基超疏水材料是鋁板經(jīng)過簡單的鹽酸刻蝕、沸水煮沸后，旋涂一層聚二甲基硅氧烷并經(jīng)過固化過程得到的。鋁與鹽酸溶液發(fā)生置換反應(yīng)，在位錯點(diǎn)處優(yōu)先刻蝕，通過掃描電鏡可以看出經(jīng)酸刻蝕后得到了微米級階梯結(jié)構(gòu)的表面，微米級階梯鋁或鋁合金與沸水發(fā)生氧化反應(yīng)在微米級階梯表面得到納米級花片結(jié)構(gòu)。在微米、納米復(fù)合的鋁表面旋涂一層聚二甲基硅氧烷溶液，經(jīng)過固化處理后即可得到超疏強(qiáng)酸、超疏強(qiáng)堿、超疏水的表面。對所得的鋁基表面進(jìn)行元素定性分析，發(fā)現(xiàn)鋁基表面含有C，Si, O, Al元素，結(jié)果表明聚二甲基硅氧烷成功的旋涂在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋁基表面。對所得到的樣品進(jìn)行接觸角測試，所用的液滴分別為PH=I的鹽酸溶液，pH=14的氫氧化鈉溶液和去離子水，液滴的大小為3-5 yL。結(jié)果表明，本發(fā)明所得到的鋁基超疏水材料對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、水的接觸角均大于150°，滾動角均小于10 °。
[0006]本發(fā)明的目的具體通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0007]—種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法，步驟如下:
I)先將鋁或鋁合金預(yù)處理，除去氧化層及污物，在1-4M HCl溶液中反應(yīng)2-20 min，然后在水中煮沸5-40 min, 30-100 °C烘干后待用；
2 )將聚二甲基硅氧烷及其固化劑按照質(zhì)量比為1: 1-20:1的比例溶于10-60 mL有機(jī)溶劑中，得聚二甲基硅氧烷溶液；
3)將步驟2)所得聚二甲基硅氧烷溶液旋涂在步驟I)已經(jīng)處理好的鋁基底上，80-120°C固化0.5-5 h，即可得到鋁基超疏水材料。
[0008]優(yōu)選的，步驟2)所述有機(jī)溶劑為正己烷、苯、甲苯和四氫呋喃中的一種。
[0009]優(yōu)選的，步驟3)所述旋涂的次數(shù)控制在1-50次之間。
[0010]優(yōu)選的，步驟3)旋涂時，勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000-8000r/min，旋涂的時間為20-120S。[00?? ] 優(yōu)選的，步驟3)所述的聚二甲基娃氧燒與固化劑為Dowcorning公司的SYLGARD184
τ?: 口廣PR ο
[0012]聚二甲基硅氧烷是一種常見的廉價不含氟疏水有機(jī)聚合物，本發(fā)明在微米、納米復(fù)合的招基材料上旋涂一層疏水聚一■甲基娃氧燒，同時實(shí)現(xiàn)了超疏水，超疏強(qiáng)酸，超疏強(qiáng)堿，在建筑、交通、軍事等方面有著廣泛的用途。本發(fā)明的鋁基超疏水材料不粘附水，不粘附酸堿，具有一定的自清潔效應(yīng)，可以用于鋁及鋁合金表面的防污;旋涂的疏水有機(jī)聚合物，對鋁及鋁合金有保護(hù)作用，可以用于鋁及鋁合金的防銹，提高鋁及鋁合金的耐腐蝕能力;在鋁及鋁合金表面涂覆疏水有機(jī)聚合物，可用于強(qiáng)腐蝕性液體的管道運(yùn)輸，減弱強(qiáng)腐蝕性液體對管道的破壞，同時也實(shí)現(xiàn)無損失液體的輸運(yùn);本發(fā)明的鋁及鋁合金超疏水材料，對水具有良好的抗粘附性能，對與水有關(guān)的交通工具而言，可以降低水的阻力，提高運(yùn)行速度，同時減少摩擦、降低噪音;在寒冷的地區(qū)，本發(fā)明制備的鋁基超疏水材料防霜、抗冰性能，保護(hù)室外的機(jī)器設(shè)備，維持機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0013]與其他制備超疏水材料的方法相比，本發(fā)明具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn):
1)不使用含氟修飾劑，直接在微米、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)上旋涂一層聚二甲基硅氧烷即可實(shí)現(xiàn)超疏水性能；
2)所得到的材料不僅可以超疏水，對于強(qiáng)腐蝕性的ρΗ=1的鹽酸溶液和ρΗ=14的氫氧化鈉溶液的接觸角達(dá)到156 °，滾動角小于1 ° ;
3)原料廉價易得，只需使用鋁或鋁合金、鹽酸、水、聚二甲基硅氧烷、有機(jī)溶劑，這些原材料在工業(yè)生產(chǎn)及生活中都很常見；
4)無需復(fù)雜操作且周期短，只需要簡單的室溫下鹽酸刻蝕，沸水煮，旋涂和固化即可完成，每一個步驟所需要的時間都不長；
5 )由于具有超疏水性能且有一層有機(jī)聚合物覆蓋，對于鋁基微米、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)有良好的保護(hù)作用。
【附圖說明】
[0014]
圖1為鋁基超疏水材料表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；
圖2為鋁基超疏水材料表面的元素成分能譜圖； 圖3為水在鋁基超疏水材料表面的接觸角圖；
圖4為水在鋁基超疏水材料表面的滾動角圖；
圖5為pH= I的鹽酸溶液在鋁基超疏水材料表面的接觸角圖；
圖6為pH=l的鹽酸溶液在鋁基超疏水材料表面的滾動角圖；
圖7為pH=14的氫氧化鈉溶液在鋁基超疏水材料表面的接觸角圖；
圖8為pH=14的氫氧化鈉溶液在鋁基超疏水材料表面的滾動角圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0016]實(shí)施例1
本發(fā)明提供的鋁基超疏水材料的制備方法具體操作步驟如下:
(I)將3 cm X 3 Cm鋁板用砂紙打磨至表面光滑除去氧化層，再依次用無水乙醇、去離子水超聲5 min，去除鋁板表面的污物。
[0017](2)將潔凈的鋁板依次放入2.5 M鹽酸中刻蝕8 min、沸水中煮沸15 min，將經(jīng)過處理的鋁板放入50 °C的真空干燥箱中干燥30 min待用。
[0018](3)按照聚二甲基娃氧燒I g、固化劑0.1 g(PDMS及其固化劑為Dowcorning公司的SYLGARD184產(chǎn)品)質(zhì)量比為10:1溶于25 mL的正己烷中，采用旋涂方式在經(jīng)步驟(2)處理過的鋁表面上旋涂一層聚二甲基硅氧烷溶液。勻膠機(jī)旋涂的轉(zhuǎn)速為3000 r/min，勻膠機(jī)旋涂的時間為60 S0
[0019](4)將經(jīng)過步驟(3)處理過的樣品放入真空干燥箱中，80 °C固化2 h，即可得到無氣無毒、經(jīng)濟(jì)、尚效的招基超疏水材料。
該鋁基超疏水表面的掃面電鏡圖片如圖1所示;能譜圖片如圖2所示;水滴在該超疏水表面的靜態(tài)接觸角圖片如圖3所示，由圖3可知，水滴在該超疏水表面的靜態(tài)接觸角為158° ；水滴的滾動角圖片如圖4所示，由圖4可知，水在鋁基超疏水材料表面的滾動角圖為2° ;pH= I的鹽酸液滴在該超疏水表面的接觸角和滾動角圖片分別如圖5、圖6所示，接觸角與滾動角分別為154°與6° ; pH=l4的氫氧化鈉液滴在該超疏水表面的接觸角和滾動角圖片分別如圖
7、圖8所示，接觸角與滾動角分別為156°與4°。水滴在該表面的靜態(tài)接觸角約為158 ± 2°，滾動角約為2 ±0.5°。
[0020]實(shí)施例2
(I)將3 cm X 3 cm鋁板用砂紙打磨至表面光滑除去氧化層，依次用無水乙醇、去離子水超聲5 min，去除鋁板表面的污物。
[0021](2)將潔凈的鋁板依次放入I M鹽酸中刻蝕20 min、沸水中煮沸40 min，將經(jīng)過處理的鋁板放入100 °C的真空干燥箱中干燥30 min待用。
[0022](3)按照聚二甲基娃氧燒I g、固化劑I g(PDMS及其固化劑為Dowcorning公司的SYLGARD184產(chǎn)品)溶于60 mL的正己烷中，采用旋涂方式在經(jīng)步驟(2)處理過的鋁表面上旋涂一層聚二甲基硅氧烷溶液。勻膠機(jī)旋涂的轉(zhuǎn)速為3000 r/min，勻膠機(jī)旋涂的時間為60 s。
[0023](4)將經(jīng)過步驟(3)處理過的樣品放入真空干燥箱中，80 °C固化5 h，即可得到無氣無毒、經(jīng)濟(jì)、尚效的招基超疏水材料。
[0024]本實(shí)施例的鋁基超疏水表面的靜態(tài)接觸角和滾動角分別為152±2°，滾動角為5土0.5。。
[0025]實(shí)施例3
(I)將3 cm X 3 cm鋁板用砂紙打磨至表面光滑除去氧化層，依次用無水乙醇、去離子水超聲5 min，去除鋁板表面的污物。
[0026](2)將潔凈的鋁板依次放入4 M鹽酸中刻蝕2 min、沸水中煮沸5 min，將經(jīng)過處理的鋁板放入30 °C的真空干燥箱中干燥40 min待用。
[0027](3)按照聚二甲基娃氧燒I g、固化劑0.05 g(PDMS及其固化劑為Dowcorning公司的SYLGARD184產(chǎn)品)溶于正己烷中，采用旋涂方式在經(jīng)步驟(2)處理過的鋁表面上旋涂一層聚二甲基娃氧燒溶液。勻膠機(jī)旋涂的轉(zhuǎn)速為8000 r/min，勻膠機(jī)旋涂的時間為20 S。
[0028](4)將經(jīng)過步驟(3)處理過的樣品放入真空干燥箱中，120 °(:固化0.5 h，即可得到無氟無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料。
[0029]本實(shí)施例的鋁基超疏水表面的靜態(tài)接觸角和滾動角分別為148±2°，滾動角為10。。
【主權(quán)項】
1.一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法，其特征在于，步驟如下: 1)先將鋁或鋁合金預(yù)處理，在1-4MHCl溶液中反應(yīng)2-20 min，然后在水中煮沸5_40min，30-100 °C烘干后待用； 2)將聚二甲基硅氧烷與固化劑按照質(zhì)量比為1:1-20:1的比例溶于有機(jī)溶劑中，得聚一.甲基娃氧燒溶液； 3)將步驟2)所得聚二甲基硅氧烷溶液旋涂在步驟I)處理好的鋁基底上，80-120°C固化0.5-5 h，即可得到鋁基超疏水材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法，其特征在于，步驟2)所述有機(jī)溶劑為正己烷、苯、甲苯和四氫呋喃中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法，其特征在于，步驟3)所述旋涂的次數(shù)控制在1-50次之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法，其特征在于，步驟3)旋涂時，勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000-8000 r/min，旋涂的時間為20-120 S。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無氟、無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的鋁基超疏水材料的制備方法，其特征在于，步驟3)所述的聚二甲基娃氧燒與固化劑為Dowcorning公司的SYLGARD184產(chǎn)品。
【文檔編號】B05D3/02GK105921380SQ201610287283
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月30日
【發(fā)明人】鄧文禮, 龍夢影, 彭珊, 陳佳琪
【申請人】華南理工大學(xué)