镁合金表面超疏水、超疏油涂层研究

摘要

镁合金具有密度低、强度大、比强度高等特点，在汽车、电子、航天航空等领域具有广泛的应用。但是，镁合金化学性质非常活泼，极易发生腐蚀而影响其应用。近年来发展的超疏水、超疏油表面具有防腐蚀、自清洁等功能，不仅可以为镁合金提供防护作用，还能赋予其自清洁能力，有助于扩大镁合金的应用领域。然而，目前文献报道的镁合金超疏水、超疏油表面制备步骤复杂、对基底有选择性、无法实现大规模生产，特别是这些表面的耐久性不佳，严重影响镁合金的应用。　　为解决上述问题，本论文采用简便的一步喷涂法在镁合金表面制备了具有良好耐久性的聚甲基丙烯酸甲酯/硬脂酸锌（PMMA/Zn(C17H35COO)2）超疏水涂层和磷酸铝/全氟辛基三氯硅烷（AP/PFOTS）超疏水超疏油的超双疏涂层。利用接触角测量仪（CA）、扫描电子显微镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶红外光谱（FTIR）分别表征了涂层的润湿性、微观形貌和化学组成。通过实验室模拟实验和实际自然环境实验测试了涂层的防腐蚀性能、机械性能、化学稳定性能、光稳定性能、耐高温性能、自然环境适应性和自清洁性能。综合各项性质表征和性能测试结果，讨论了涂层的成膜机理和耐久性机制。主要工作如下：　　1、基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可形成网状结构、硬脂酸（SA）处理后的ZnO可提供粗糙度且降低表面能的思想，通过喷涂PMMA/Zn(C17H35COO)2喷涂液在镁合金表面制备了超疏水涂层，其静态接触角为157.0°、滚动角为6.0°。涂层由紫菜状的微纳米结构组成，其主要成分为PMMA和硬脂酸锌。涂层中硬脂酸锌的长烷基链（C17H35-）能够显著降低涂层的表面能，使涂层具有超疏水性。性能测试结果表明，所制备的涂层具有优异的防腐蚀性（Rc=1.23×105Ω·cm2）、自清洁性、耐砂粒冲击性（1.0g min-1,≥20min）、耐水冲击性（2滴每秒,≥180min）、耐摩擦磨损性（1.0kPa,≥1250cm）、耐胶带剥离性（≥2.15kPa）、耐酸碱性（pH=1~13）、耐有机溶剂浸泡（≥24h）和耐高温性能（200℃,≥24h）。硬脂酸锌嵌入聚合物PMMA形成的网状结构中，被牢牢固定，因此涂层表现出良好的耐久性。　　2、基于磷酸铝（AP）在一定温度下可与镁合金反应形成微/纳米结构的同时增强涂层与基底的结合力、低表面能物质全氟辛基三氯硅烷（PFOTS）可提供极低表面能的思想，通过喷涂AP/PFOTS喷涂液在镁合金表面制备了超疏水、超疏油的超双疏涂层，该涂层对水及表面张力小于35.3mN m-1的油都具有超疏性。涂层呈多层网络结构且网络结构上分布着许多纳米突起，涂层中的含氟官能团赋予涂层极低的表面能。性能测试结果表明，所制备的涂层具有优异的耐砂粒冲击性（1.0g min-1,≥20min）、耐水冲击性（2滴每秒,≥20h）、耐摩擦磨损性（1.0kPa,≥2500cm）、耐酸碱性（pH=1~14）、耐有机溶剂浸泡（≥48h）和光稳定性（≥672h），自然环境测试进一步表明该涂层具有良好的环境适应性。涂层对无机颗粒和有机物的污染均具有持久的自清洁性能。由于没有额外添加纳米颗粒，涂层完整均匀，磷酸铝自身的胶黏性质及其与镁合金基底反应增强了涂层与基底的结合力，使得涂层具有优异的耐久性。

目录

1 绪 论

1.1 镁合金的性质和应用

1.1.1 镁合金的性质

1.1.2 镁合金的应用

1.2 镁合金的表面处理技术

1.2.1 微弧氧化

1.2.2 电沉积

1.2.3 激光表面处理

1.2.4 化学转化处理

1.2.5 阳极氧化处理

1.2.6 超疏水/超疏油表面

1.3 润湿性基本理论及模型

1.3.1 Young’s 方程

1.3.2 Wenzel模型

1.3.3 Cassier-Baxter 模型

1.4 特殊润湿性表面的应用

1.4.1 防结冰

1.4.2 抗菌

1.4.3 流体减阻

1.4.4 油/水分离

1.4.5 防腐蚀

1.4.6 自清洁

1.5 超疏水、超疏油表面的制备方法

1.5.1 模板法

1.5.2 刻蚀法

1.5.3 水热法

1.5.4 化学气相沉积法

1.6 本论文的研究目的和主要内容

1.6.1 研究目的

1.6.2 主要研究内容

2 实验

2.1 材料和试剂

2.2 仪器和设备

2.3 涂层的制备方法

2.3.1 镁合金的前处理

2.3.2 涂层的制备

2.4 性质表征方法

2.4.1 接触角测量（CA）

2.4.2 差热/热重分析（DTA/TGA）

2.4.3 场发射扫描电子显微镜（FESEM）

2.4.4 X射线光电子能谱（XPS）

2.4.5 傅里叶红外光谱（FTIR）

2.5 性能测试技术

2.5.1 防护性

2.5.2 自清洁性能

2.5.3 机械性能

2.5.4 化学稳定

2.5.5 光稳定性

2.5.6 耐高温性能

2.5.7 自然环境适应性

3 PMMA/Zn(C17H35COO)2超疏水涂层的制备与表征

3.1 实验

3.1.1 涂层的制备

3.1.2 涂层的表征

3.2 涂层性质表征结果

3.3 涂层性能测试结果

3.3.1 防护性能

3.3.2 自清洁性能

3.3.3 机械耐久性测试

3.3.4 化学稳定性测试

3.3.5 耐高温性能

3.4 成膜机理和耐久性机制的讨论

3.5 本章小结

4 AP/PFOTS超双疏涂层的制备与表征

4.1实验

4.1.1 涂层的制备

4.1.2 涂层的表征

4.2 涂层性质表征结果

4.3 涂层性能测试结果

4.3.1 机械耐久性测试

4.3.2 化学稳定性测试

4.3.3 光稳定性测试

4.3.4 自然环境适应性测试

4.3.5 自洁性能

4.4 成膜机理和耐久性机制讨论

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士期间发表的论文题目

B. 学位论文数据集

致谢

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