超疏水铝合金表面的制备、耐腐蚀及防污性能研究

摘要

铝也是有色金属领域中使用最广泛的金属之一。铝合金具有良好的物理、化学性能在许多领域有着广泛的应用以及具有外观好、质轻、延展性和很好的机械加工等特性，但在恶劣的工作环境下容易受到污染或损伤，而且在潮湿和盐水等环境中很容易被腐蚀，失去其使用价值。而且自然界中的荷叶、水稻叶等具有自清洁、耐腐蚀和损伤自修复等功能，研究人员对自然界中荷叶表现出来的“荷叶效应”这一现象进行研究，发现荷叶表面具有超疏水性（与水接触角大于150°且滚动角低于10°），因而表现出很好的耐腐蚀、防污和防覆冰等性能。铝合金在工业和日常生活中得到了更加广泛的应用。因此，探索简单有效的方法来制备超疏水铝合金表面，从而改善其表面耐腐蚀和防污自清洁性能等就显得尤为重要。
　　在本研究中，我们提出了在无需对铝合金表面进行打磨处理的情况下，通过一步简便、环境友好的醇水溶液浸泡法构建得到超疏水铝合金表面这一方法。该方法制备过程简单，对设备要求低，环保且成本低。而且制备得到的超疏水铝合金表面呈现出疏水普适性、多样性和良好的稳定性，并且具有优异的耐腐蚀和防污性能。
　　本研究通过两步法（沸水处理+乙醇-硬脂酸STA-H2O浸泡）和一步法（乙醇-STA-H2O浸泡）分别成功构建得到了铝合金超疏水表面，对所制备的超疏水铝合金的表面结构、组成以及耐腐蚀、防污自清洁性能等进行了详细研究，主要研究内容和结果如下:
　　(1)两步法构建超疏水铝合金表面:在不对铝合金试样进行打磨处理的情况下用成本低廉、环保的两步法成功构建得到接触角为153.8°、滚动角小于5°的超疏水铝合金表面。对沸水处理时间、乙醇-H2O体积比和STA改性时间对超疏水铝合金的表面微结构和表面润湿性能的影响进行研究，结果表明:随着沸水处理时间延长、乙醇-H2O体积比减小和STA改性时间的增加，铝合金表面由原来相对比较平滑和平整的形貌逐渐变成“条虫”状的粗糙结构，表面接触角逐渐增大。但是继续增加沸水处理时间、降低乙醇-H2O体积比和延长STA改性时间后，接触角反而持续减小，表面形貌由获得最佳疏水性的大量微-纳米孔的花瓣状均质层状结构逐渐变得“紊乱”。最终确定出在沸水处理时间为5 min、乙醇-H2O体积比为1∶1和STA改性时间为50 h时可以获得最佳超疏水性能。通过扫描电镜(FE-SEM)和红外光谱(FT-IR)分别对铝合金表面的微观形貌和化学结构进行了测试，结果表明:所制备的铝合金表面具有大量微米-纳米孔的花瓣状结构，且表面接枝有低表面能物质硬脂酸铝，也正是这两者共同作用赋予了铝合金表面良好的超疏水性能。
　　(2)一步法构建超疏水铝合金表面:本研究同样在不对铝合金试样进行打磨处理的情况下，采用更为简便的一步浸泡法处理工艺来制备超疏水铝合金表面，探索了乙醇-H2O体积比和STA改性时间对铝合金表面微结构及润湿性能的影响。结果表明:当乙醇-H2O的体积比为2∶1、60℃下STA改性时间为60 h时可以获得接触角高达153.6°、滚动角小于5°的超疏水表面。由于铝合金表面形成了大量微，纳米级空穴结构，其上接枝了低表面自由能的烃基疏水长链，空穴中留存有大量空气，因而水滴不能渗入其中而只能与表面突起相接触，表面受到外界稍微扰动，水滴便会滚落，因此铝合金表面便获得了优异的超疏水特性，而且其超疏水性能呈现出多样性、普适性和良好的稳定性。
　　(3)超疏水铝合金的耐腐蚀性能:采用电化学测试对超疏水铝合金的耐腐蚀性能进行了考察。结果表明:相较于空白铝合金，超疏水铝合金的腐蚀电位正向移动而腐蚀电流密度显著减小。说明超疏水膜抑制了铝合金的腐蚀反应过程，从而提高了铝合金的耐腐蚀性能，这是由于超疏水膜可以在界面处有效地捕捉大量的空气，阻碍了水中的腐蚀性介质与铝合金表面的直接接触，从而提高了铝合金的耐腐蚀性能。
　　(4)超疏水铝合金表面的防污自清洁性能:采用滚动水滴带走碳粉和泥浆滚落两种方法对超疏水铝合金的防污自清洁性能进行了考察。研究结果表明:当水滴入覆盖有碳粉、倾角为4°的空白铝合金表面时，水滴呈铺展状态而黏附于试样表面，所以不能带走试样表面的碳粉。然而，水滴在超疏水铝合金表面呈现球形形态且具有低黏附性，极易从超疏水表面滚离并携带走碳粉，使得超疏水铝合金表面具有自清洁防污性能。同样，由于空白铝合金样品具有亲水性，而超疏水的铝表面具有极强的疏水性。当将两种铝合金试样浸入泥浆再提拉时，泥浆球滴迅速从超疏水铝合金表面滚落而未留下任何痕迹。相对而言，泥浆不能从空白铝合金表面移开而仍然粘附于其表面。因此，以上两种实验现象表明碳粉、泥浆等模拟污染物与超疏水铝合金表面之间的粘附力很弱，通过滴注水滴或轻微的扰动等就可以清除污染物，使超疏水铝合金始终能够保持干净的表面。于是超疏水铝合金表面具有优异的防污自清洁性能。

目录

声明

摘要

Abstract

Contents

1 Introduction

1．1 Aluminum and its alloys

1．1．1 Characteristics and application of aluminum

1．1．2 Challenges in the use of aluminum and its alloys

1．1．3 Improving the corrosion resistance of aluminum and its alloys

1．2 Superhydrophobicity

1．2．2 History of superhydrophobic materials

1．2．3 Existence of superhydrophobicity in nature

1．3 Theoretical background of superhydrophoic surface

1．3．2 Wenzel Model

1．3．3 Cassie Model

1．4 Fabrication of superhydrophobic surfaces

1．5 Superhydrophobic material on the aluminum alloy surface and it's applications in self-cleaning and anti-icing

1．6 Technical problems in the preparation of superhydrophobic surface

1．7 Objective of this thesis

2 Constructing superhydrophobic aluminum alloy surface via boiling water treatment+Ethanol-STA-H2O solution modification method

2．1 Introduction

2．2 Experimental work

2．2．1 Experimental materials and apparatus

2．2．2 Fabrication method

2．2．3 Characterization methods and instruments

2．3 Results and discussions

2．3．1 Wettability and structure of aluminum alloy surface

2．3．2 Phase structure of the superhydrophobic aluminum alloy surface

2．3．3 Effect of boiling water treatment time on the wettability of aluminum alloy surface

2．3．4 Effect of temperature on the wettability of aluminum alloy surface and microstructure

2．3．5 Effect of STA immersion time on the aluminum alloy surface wettability

2．3．6 Morphology and Hydrophobic Mechanism of Superhydrophobic aluminum alloy surface

2．4 Summary

3 Fabrication of superhydrophobic aluminum alloy surface by one step method in Ethanol-STA-H2O solution

3．1 Introduction

3．2 Experimental materials and apparatus

3．2．1 Experimental materials

3．2．2 Experimental apparatus and equipment

3．2．3 Fabrication method

3．2．4 Surface charactcrization

3．3．1 Hydrophobic diversity and stability of superhydrophobic aluminum alloy

3．3．2 Microstructure and wettability of aluminum alloy surface

3．3．3 Chemical structure of the superhydrophobic aluminum alloy surface

3．3．4 Mechanism of hydrophobicity

3．4 Summary

4 Corrosion resistance and antifouling performance of superhydrophobic aluminum alloy surface

4．1 Introduction

4．2 Experimental section

4．3 Corrosion resistance of superhydrophobic surface preparation via two step method

4．4 Corrosion resistance of superhydrophobic aluminum alloy surface construction via one step method

4．4．1 Corrosion potential and corrosion current density of aluminum alloy surface

4．4．2 Analysis of corrosion resistance mechanism on surface of superhydrophobic aluminum alloy

4．5 Self-cleaning performance

4．5．1 Self-cleaning test

4．5．2 Study on the self-cleaning performance of superhydrophobic aluminum alloy surface through different contaminants

4．6 Summary

5 Conclusion and future prospects

5．1 Conclusion

5．2 Future prospects

Acknowledgment

References

Achievements