铝基超疏水表面沸水法制备工艺与耐蚀性能研究.doc

1、铝基超疏水表面沸水法制备工艺与耐蚀性能研究摘 要本文以铝合金为基体材料，通过沸水法处理其表面，并用硬脂酸(十八烷酸)或者硅烷偶联剂进行表面修饰以制备具有超疏水性能的表面。本文研究了铝片粗糙度、沸水处理时间，硬脂酸修饰浓度以及硬脂酸修饰时间等不同工艺对于超疏水表面制备的影响，最后通过电化学试验技术来分析超疏水表面对于铝合金耐蚀性能的影响。结果表明当铝片粗糙度达到1200目、沸水处理时间达到10min、采用浓度为6%的硬脂酸修饰24h能得到超疏水表面，接触角达到了151。而当用浓度为1%的硅烷偶联剂修饰时，接触角达到了155。电化学实验结果表明，在模拟海水环境下，经过表面修饰拥有超疏水性能的铝片表

2、面点蚀现象明显减少，材料耐腐蚀性能明显高于原始未处理铝片。关键词：铝；超疏水表面；沸水法；硬脂酸；正辛基三乙氧基硅烷；电化学实验；Fabrication of superhydrophobic aluminium alloy surface in boiling water and study on its corrosion resistanceAbstractIn this paper, the superhydrophobic aluminium alloy surface was prepared by the boiling water treatment and then was

3、fabricated by stearic acid (STA) or silane coupling agent modification. We studied different modified processes impact on preparing superhydrophobic surface such as the aluminum roughness, boiling water treatment time, concentration and stearic acid-modified time. Then we analyzed the corrosion resi

4、stance of the superhydrophobic surface of aluminum and its alloys by measuring the polarization curves. The results showed that when the roughness of aluminum surface was 1200 mesh, boiling water treatment reaches 10min, modified by 6% concentration of stearic acid by 24h, the superhydrophobic surfa

5、ce contact angle reaches 151. If the aluminum sheet was modified by 1% concentration of silane coupling agent by 45min, the superhydrophobic surface contact angle reaches 154. Electrochemical experiments show that the corrosion resistance of aluminum surface with super hydrophobic properties is sign

6、ificantly higher than the original aluminum.Keywords：aluminum; super-hydrophobic surface; boiling water method; stearic acid; noctyltriethoxysilane; polarization curve目 录第1章 前言11.1 铝及铝合金11.1.1 铝合金的性质与应用11.1.2 铝及其合金的腐蚀与防护21.2 超疏水表面21.2.1 超疏水现象与表面制备机理21.2.2 超疏水表面的应用51.2.3 超疏水表面制备技术51.3 本课题研究内容和意义6第2章

7、沸水法制备铝基超疏水表面82.1 实验材料与实验仪器82.1.1 实验材料与试剂82.1.2 实验仪器82.2 沸水法制备铝基超疏水表面实验方法92.2.1 表面预处理92.2.2 沸水法处理92.2.4 实验设计102.3 铝片表面形貌观测与电化学实验12第3章 超疏水表面制备及耐蚀性能测试结果与分析143.1 超疏水表面接触角大小测试结果与分析143.1.1 砂纸打磨划痕尺寸对铝片表面接触角影响结果与分析143.1.2 沸水反应时间对铝片疏水性影响结果与分析。163.1.3 硬脂酸反应时间对于铝面疏水性影响结果与分析203.1.4 硬脂酸浓度对铝片表面接触角影响结果与分析213.1.5 硼

8、砂处理对铝片面接处角影响结果与分析233.1.6 正辛基三乙氧基硅烷修饰对铝片表面疏水性影响253.2 超疏水表面耐蚀性能测试结果与分析283.3 总结30第4章 结论31致 谢32参考文献33第1章 前言第1章 前言铝及铝合金因其优良的性质以及巨大的储量近年来在生产生活中承担着重要的角色，目前在各行各业都有广泛运用，唯一限制铝应用的便是某些特定的腐蚀环境。一般情况下铝表面氧化膜能减缓铝材腐蚀，但是，在某些介质中腐蚀发生不可避免，这会对生产生活造成不便，甚至造成难以想象的损失。近年来金属腐蚀使资源大量浪费，研究者也更加关注防腐蚀的研究，铝因其在工业中的重要性更是受到关注，各种腐蚀与防护技术也相

9、应出现。大气中铝材会与氧气反应生成耐蚀性良好的氧化膜从而减缓铝材的腐蚀，但是在有活性阴离子存在的情况下阴离子会破坏氧化膜而促进腐蚀发生，这就阻止了其在活性阴离子环境下的使用。因此，铝在海水等拥有氯离子等阴离子情况中的腐蚀与防护成为热点。一般情况下，活性阴离子如氯离子必须在溶液中才能对铝基体造成腐蚀，当运用一种技术将铝表面与水溶液分离便能阻止铝基体的腐蚀。研究者受到荷叶表面超疏水现象的启发，研究荷叶表面的微观结构，并通过实验在铝片表面制作相似微观结构，让铝片表面达到超疏水性质，阻止了氯离子与铝基体接触，且拥有防腐蚀性。本文通过沸水法处理铝片表面，用硬脂酸进行修饰，得到起超疏水作用的微纳米结构层，

10、后通过电化学实验测得腐蚀速率，并研究了几种制作工艺对于超疏水表面性质的影响。从正文到附录，页脚用阿拉伯数字连续编排页码；页码位于页脚中间，采用“Times New Roman 五号字体”。封面、摘要、目录部分不用编写页码。1.1 铝及铝合金铝在自然环境中含量高，质轻，具有良好的导电导热等性能，目前已成为使用最广泛，产量最多的有色金属，在所有金属中产量仅次于钢铁。1.1.1 铝合金的性质与应用 铝材的优良性质如下： （1）密度低。2.7g/cm2，在所有金属材料中铝的密度仅高于镁，是钢铁的1/3。 （2）塑性好。铝材延展性好，能够制成各种形状的材料、工具。 （3）加工性能好，易强化。能经过合金化

11、等操作提升比强度。 （4）导电、导热性好。由于电子传导机制，铝片的导电导热性质在金属元素中仅低于金银铜。 （5）耐腐蚀。在一般环境下铝材会迅速反应生成耐蚀性优良的氧化膜阻止铝与其他介质反应。铝材因其优良的性质，在生产生活等领域都应用广泛。在航天领域，铝材可以用来制造飞机上很多部件、以及火箭锻环等；交通运输行业铝材用于制造汽车、地铁、高铁的车体结构材料，门窗、行李架、引擎零部件、散热器、车身板等用材；包装用铝材：铝质易拉罐以及化工业产品的包装等；建筑行业将铝材用于建筑物构架、门窗的铝合金门幕墙板以及塑料板等；电子家电行业铝材用于制造母线、导体、电器元部件、电缆、空调等。1.1.2 铝及其合金的腐

12、蚀与防护虽然铝在大气中会自动生成一层致密的氧化膜阻止腐蚀，但是在海洋环境中有氯离子存在的情况下会加剧铝材料的腐蚀，且腐蚀有很多种形式，如缝隙腐蚀、点蚀等，一旦发生将会造成巨大危害。一般认为点蚀的原理是：Cl-等侵蚀性阴离子局部进入铝及其合金的氧化膜层，铝氧化膜会与阴离子反应产生Al3+；Al3+与水中的OH-反应生成氢氧化物，使周围溶液的PH值降低，呈现酸性，为调节电荷平衡，会有大量Cl-进入，导致氧化膜进一步破坏，形成点蚀坑；铝具有较高的化学活性，当氧化膜变薄或者被破坏时，铝基会迅速发生腐蚀。根据铝的腐蚀机理，目前已出现许多相应的表面处理工艺，这些工艺在保留基体原来性质的基础上，能提高铝材的

13、防腐蚀性能。其中，阳极氧化处理工艺将铝材进入电解质溶液中进行电解，在铝材表面人为制造一层氧化膜，且这层氧化膜耐高温，绝缘性好，是多孔型氧化膜，能获得不同的装饰性和功能性；化学氧化法，通过一定手段使金属与氧化性溶液接触反应，表面生成一层稳定不溶的氧化膜，生产成本低，设备易操作，工艺简单，适合于大批量零部件生产；有机物涂装处理通过电泳喷涂等工艺将有机聚合物如聚丙烯酸树脂喷涂在工件表面，所生成膜的厚度均匀、覆盖性好、耐腐蚀性好、容易控制；电镀与化学镀工艺可以使表面层获得良好的外观与导电性，是铝合金拥有其他的工程特性。近年来新的表面处理工艺涌现，由于人们对环境的重视度越来越高，环境友好型处理技术进入人

14、们的视野，其中，超疏水表面以它优良的性质成为研究热点。1.2 超疏水表面1.2.1 超疏水现象与表面制备机理在自然界中有很多动物翅膀与植物表面不会被水滴浸湿，如荷叶“出淤泥而不染”以及蝴蝶翅膀的自清洁特性，受到这种现象的启发，研究人员投入很多精力来研究超疏水性质。超疏水性是润湿性的一种特殊情况，当液体润湿表面时很难润湿，角度大于150时这种表面即拥有超疏水性。当固体表面具有超疏水性质时，液滴很难润湿表面，只需要很小的倾斜角度，液滴便能从表面滚落，并且带走表面污渍，即自清洁特性。江雷等通过大量研究观测到：如图1-1所示，荷叶叶子产生超疏水现象是因为在叶面上存在微米尺寸大小的突起结构以及突起结构上

15、又存在纳米尺寸结构，并且还存在低自由能 蜡状结构，小尺寸的双重结构是叶面超疏水特性的决定性因素，特别地，乳突上的纳米结构能降低表面能，这对超疏水性质有极为关键的影响。因此，制造微纳米级凹凸不平结构以及嫁接低表面能物质时制备超疏水的关键步骤。图1-1荷叶表面SEM图像砂纸打磨、沸水处理、修饰剂修饰对于制备超疏水表面的作用依次是在铝表面人为制造微米级粗糙度、反应生成纳米级微孔、在表面生长纳米级低表面能物质，这些工艺共同组成起超疏水作用的微纳米多级结构。在常温下铝片不与水反应是因为铝表面与氧气生成的膜，阻碍水与铝片的反应，当砂纸打磨去除铝材表面的膜后，其会在沸水中较为剧烈反应：Al+H2OAl2O3xH2O+H2Al+H2OAl2O3在沸水中会进一步反应产生AlO(OH)(勃姆石),并且随着沸水处理时间的延长，勃姆石会发生溶解生成孔洞，如下图1-2所示。其中a、b、c、d分别表示铝片在沸水中处理20s、60s、300s、600s，从图中可以清晰的看出废水处理时铝片表面微观形貌的变化，从a到d小孔数目逐渐增多，围成小孔的脊状结构也逐渐清晰，并且d中图像孔状结构已经发生溶解。图1-2 沸水处理铝金相图（放大400倍）铝片与沸水反应后，使得铝