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技術文章

新型鋁合金表面疏水涂層研究點擊次數:1306 更新時間:2022-03-18

研究背景

 

鋁合金是一種常見的工程材料,因其具有比強度較高、易于加工等優點,廣泛應用于船舶、航空、建筑等領域。然而在潮濕環境中,鋁合金表面易結冰和腐蝕,這限制了它的使用范圍。超疏水表面是指與一定體積的水滴的接觸角大于 150°,同時滾動角小于10°的表面。這類表面不僅具有多尺度微納米粗糙結構,同時具有較低的表面能。這種特殊浸潤性表面具有優異的防水、防結冰、抗污、減阻自清潔性能,在延長材料使用壽命以及拓展應用領域等方面具有巨大的潛力。以苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、疏水二氧化硅(h-SiO2)為原料,通過提拉法在鋁合金表面制備 SEBS/h-SiO2超疏水復合涂層。

 

實驗方法

采用光學接觸角測試儀(KRüSS)測量涂層對水的靜態接觸角,水滴大小為 μL,選取 個不同位置測量,取其平均值。涂層對水的滾動角測量方法為:水滴大小為 10 μL,轉動速度為 90 (°)/min,最大轉動角 30°,選取 個不同位置測量,取其平均值。

 

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結果與討論

h-SiO2 用量對表面潤濕性能的影響

鋁合金表面 h-SiO2 納米顆粒的附著量會影響液滴與鋁合金的實際接觸狀態,從而影響靜態接觸角(CA)與滾動角(SA)的大小。由圖 可知,當無 h-SiO2 時,CA 為 119°,SA 大于 30°,隨著 h-SiO2 的用量逐漸增大,CA 逐漸增大,SA 逐漸減小。當 h-SiO2 和 SEBS 質量比為 3時,CA 大于 160°,SA 小于 1°。這是因為 SEBS 在鋁合金表面形成的高分子涂層具有良好的粘接性能,使得 h-SiO2 納米顆粒進入到涂層中,并形成一定的粗糙結構,改變液滴接觸狀態,從而引起表面潤濕性能的變化。由圖2可以看出,涂層表面分布著許多大小約為10 μ的微凸體,在單個微凸體之上堆砌了直徑為 50 nm左右的二氧化硅顆粒。這種二元微納米粗糙結構與二氧化硅上的疏水基團相結合,使得表面潤濕性達到超疏水。

 

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SEBS/h-SiO2 復合涂層的穩定性

為驗證 SEBS/h-SiO2 復合涂層的穩定性,在水中浸泡不同時間后,測試鋁合金表面的 CASA,結果如圖 3a3b 所示。由圖可知,CA 變化波動較小,在120 min 內,均能保持在 160°左右,但隨著浸泡時間的增長,SA 逐漸變大,且變化趨勢明顯,可以預測2 h 后,超疏水表面將會失效。但是經過干燥后,SA 恢復初始水平。這是因為隨著浸泡時間增長,更多的水分子進入復合涂層孔隙之中,使得液滴與鋁合金表面接觸面積增大,受到的結合力增大,從而不利于液滴滾動。經過干燥后,孔隙中水分子消失,液滴與鋁合金表面接觸狀態發生改變,從而呈現超疏水性。復合涂層處理的鋁合金放置在空氣中 30 天后,其 CA 的變化見圖 3c,液滴與表面的粘附狀況見圖 3d。結果顯示,CA 基本無變化,表面的抗粘附性能表現良好。所以,SEBS/h-SiO2 復合涂層表現出優異的穩定性。

 

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小結

在 AMS 4037 鋁合金表面制備了 SEBS/h-SiO2 超疏水復合涂層。該涂層具有良好的穩定性與自清潔能力。當 SEBS 和 h-SiO2 質量比為 1時,得到了最佳 CA=160.4°,SA 小于 1°,涂層表面形貌為不規則的凸起均勻覆蓋的粗糙表面,同時 h-SiO2 表面具有疏水基團,滿足表面超疏水性能要求條件。

 

[1]薛森,石濤,彭華喬,蘇正良.SEBS/h-SiO2復合涂層疏水性能研究[J].表面技術,2022,51(01):265-271.DOI:10.16490/jcnki.issn.1001-3660.2022.01.028.


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