微纳结构超疏水铝基涂层制备及性能研究

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在金属基体上制备超疏水表面可以赋予其耐腐蚀、自清洁的效果,而引起科学界的广泛关注和深入的研究。虽然目前制备的超疏水表面具有优良的润湿性,但是超疏水表面的机械性能仍是制约其大规模应用的主要因素。本文通过化学和电化学的方式对铝基体表面进行处理,得到不同表面微观构。研究了不同微观结构对超疏水表面性能的影响。为进一步提高超疏水表面的机械性能和延长使用寿命,通过在铝基体上涂覆不同的有机涂层和无机粒子构成的复合涂层,构建了耐磨损和双层复合的铝基超疏水表面。多层有序地展开了对铝基超疏水表面的综合性能进行研究,以开发出一种具有大规模制备稳定微纳米结构和超疏水表面的方式,为进一步推进铝基超疏水表面工业化制备提供理论支持,论文的主要研究内容如下:(1)采用酸刻蚀法、阳极氧化法、磷酸-铬酸盐法等简单的方法在铝基体表面分别构建了具有台阶状、针状、椭球状的多元微纳米结构,经全氢聚硅氮烷(PHPS)覆膜后,接触角分别达到了154°、156°和152°。并研究铝基体表面粗糙结构对样品耐腐蚀性、耐候性以及耐磨损性方面的影响。在经过10次磨损测试后,具有椭球状、针状和台阶状的超疏水表面接触角分别下降了52°、50°和38°。在电化学测试中,椭球状、针状超疏水表面的腐蚀电流密度分别为2.52×10-5A/cm~2、1.41×10-5A/cm~2和1.25×10-5 A/cm~2。在户外放置一年后,椭球状、针状和台阶状的接触角分别为83°、80°和97°。结果表明台阶状的粗糙结构为制备超疏水表面的最佳粗糙结构。(2)在具有台阶状粗糙结构的率基体表面涂覆纳米二氧化硅和甲基硅树脂制备的有机-无机复合超疏水涂层,在铝表面制备了一种具有耐蚀耐磨性能的复合超疏水涂层。超疏水涂层类似于夹层结构,底部包含硅烷偶联剂层,中间是二氧化硅杂化硅树脂胶粘剂层,顶部是过氢聚硅烷(PHPS)层。超疏水多层涂层不仅有效地提高了金属表面的耐蚀性,而且还具有耐磨性。具有复合超疏水涂层的样品接触角为161.3°。与原铝相比,PHPS涂层和复合结构涂层的腐蚀电流密度分别降低了2和4个数量级。在1KPa压力下,铝在600#Si C砂纸上移动1m后,接触角降低了11°。在相同的条件下,单一PHPS涂层的铝降低了70°。该研究不仅为铝的超疏水表面制备提供了一种有价值的方法,而且也为商品和工业用品的表面改性提供了一种方便维护的方法。(3)微纳结构是产生超疏水性能的必要因素,与坚硬物体刮擦时,微纳结构极易被破坏,导致超疏水性将丧失。因此,引入水溶性聚乙烯醇(PVA)聚合物粘结剂作为缓冲层和牺牲层,制备出一种复合双层超疏水样品。这种方法中,先在具有台阶状粗糙结构的铝基体表面喷涂聚四氟乙烯(PTFE)制备出下层超疏水层。PVA粘合剂在中间,最上层是超疏水聚二甲基硅氧烷(PDMS-Si O2)层。当纳米二氧化硅的含量为15%时,PDMS-Si O2涂层的接触角为154°。在1KPa的压力下,上层PDMS-Si O2在600#砂纸上磨损40cm后脱落。超疏水性会暂时消失。将受损样品在水中浸泡约3h后PVA层被溶解。暴露出的下层超疏水层接触角为152°。在电化学测试中,双层超疏水样品,PTFE涂层的样品和PVA层脱落后的超疏水样品腐蚀电流密度为腐蚀电流密度为1.2×10-6A/cm~2、1.1×10-5A/cm~2和3.3×10-6A/cm~2。该方法对超疏水铝材料在工程上的应用具有重要意义。
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