胡德志 張曉春 李 晶 莊云飛 米斌周

(華北科技學院基礎部，北京 東燕郊 101601)

0 引言

潤濕性(Wettability，又稱浸潤性)是表征固體表面性質(zhì)的重要特征之一。對于特殊潤濕性的研究最早可以追溯到上世紀，Boy CV記載“灑在石松膜上的水滴能夠自發(fā)的形成球形，并能夠自由的滾動”。研究發(fā)現(xiàn)影響固體表面的潤濕性的因素有兩個:固體表面的化學組成和微觀結(jié)構(gòu)［1－9］。通常用接觸角來表征材料潤濕性。接觸角大于150°時稱為超疏水，接觸角小于10°時稱為超親水。超親水和超疏水兩方面在工業(yè)生產(chǎn)和生活中都有著十分廣泛的應用前景。

金屬鋁是地殼中含量極為豐富的金屬元素。上世紀末，鋁已經(jīng)成為工程應用中具有競爭力的金屬，且風靡一時。航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展要求材料具有輕質(zhì)化的獨特性質(zhì)，大大促進了鋁的生產(chǎn)和應用。鋁金屬本身的化學性質(zhì)非?；顫?，當鋁和空氣接觸時，其表面立即生成一層致密的氧化膜，阻止內(nèi)層的鋁被氧化，使鋁在空氣中有很高的穩(wěn)定性。但鋁的氧化膜本身是兩性氧化物，日常使用過程中如果遇到水也很容易被慢慢腐蝕掉，所以改變鋁表面的潤濕性能顯得越來越重要。因此，希望通過表面修飾的方法，使鋁表面達到疏水的效果，以提高鋁材料表面的耐腐蝕性。

本文主要從超疏水鋁箔的制備進行闡述，并對改性后的鋁表面疏水性進行了測量以及對材料表面形貌進行了表征，并深入分析了表面形貌特征。

1 鋁基超疏水表面的制備

1.1 主要原料

采用成分大于 99.0%的鋁箔，Beck酸，C6H12N4，NaCl，三乙氧基全氟甲硅烷(以下簡稱氟硅烷)，乙醇。

1.2 樣品的制備

具體的操作流程如下:

1)將鋁片剪成15 mm×15 mm，分別用甲苯、丙酮和乙醇超聲0.5小時，放在乙醇中保存。使用時用去離子水洗凈，再用干燥的氮氣吹干。

2)將三乙氧基全氟甲硅烷和乙醇按照體積比1∶200配成溶液。

3)清洗完的鋁箔與NaCl和C6H12N4混合溶液分別在100℃、120℃、140℃、160℃和180℃下反應2小時，浸入氟硅烷的乙醇溶液中反應3小時后，40℃烘干3小時在空氣中冷卻。

1.3 測試方法

1)初始接觸角的測試。樣品的接觸角采用接觸角測量儀(CAM，GonioStar150)進行測量。采用傳統(tǒng)的液滴測試法進行測試。將液滴(體積為5 μl)滴在水平靜止的樣品表面上，每個樣品表面選五個不同的位置進行測量，取其平均值作為樣品的初始接觸角。

2)樣品表面形貌的測試。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品表面形貌進行表征，樣品測試前在其表面進行噴金制作導電層，以增強其表面的導電性。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)過NaCl和C6H12N4混合溶液處理后的鋁箔接觸角隨反應溫度變化的結(jié)果如圖1所示。圖像清楚地表明處理后的鋁箔表現(xiàn)出明顯的疏水性，接觸角都大于90°。與處理前的親水性有明顯的不同，這應該是表面氟化后的結(jié)果。但隨著溶液反應溫度的升高，接觸角先增加后減少。當反應溫度為140℃時，達到最大接觸角為155°。為了進一步提高疏水效果，本文對不同反應溫度下，樣品的表面形貌進行測試。

圖1 鋁箔表面接觸角隨反應溫度的變化

經(jīng)過NaCl和C6H12N4混合溶液在120℃、140℃、160℃、180℃反應后的鋁箔表面形貌如圖2所示。隨著反應溫度的升高，鋁箔的表面生成的花瓣狀沉淀數(shù)量呈現(xiàn)出先增多后減少的趨勢。從圖(b)和(c)中可以看出，沉淀的Al(OH)3幾乎鋪滿了鋁箔的表面，且明顯的多于圖(a)和(d)中沉淀的數(shù)量。原因是(C6H12N4)4+離子選擇性的吸附在Al(OH)3沉淀，從而使Al(OH)3沉淀沿一定方向有規(guī)則的生成，形成了花瓣狀Al(OH)3沉淀，并且隨著反應溫度的升高這種花瓣狀沉淀出現(xiàn)了一些聚集的趨勢，并形成了球狀沉淀。隨著溫度的升高，接觸角不是一直增大，主要是因為生成的Al(OH)3沉淀，逐漸開始在堿性環(huán)境中被溶解，這也是d)圖中鋁箔表面沉淀有所減少的主要原因。

經(jīng)過120℃反應處理后的鋁箔接觸角要略高于經(jīng)過180℃反應處理后的鋁箔。其主要原因也是因為在較高的溫度下，生成的花瓣狀Al(OH)3沉淀發(fā)生了溶解，雖然二者之間Al(OH)3數(shù)量變化不大，但是其形狀發(fā)生了改變，花瓣狀Al(OH)3的一些片層結(jié)構(gòu)消失，造成鋁箔表面的比表面積減小，其鏈接的－CFn基團有所降低所造成的。

圖2 不同反應溫度下鋁箔表面形貌SEM圖

下面就從表面微觀結(jié)構(gòu)上分析超疏水表面產(chǎn)生的機理。圖2中(b)和(c)圖比較發(fā)現(xiàn)，(b)圖中花瓣呈現(xiàn)花朵形狀，花朵與花朵之間有一定的間隔，分布整體均勻。(c)圖中幾乎全是Al(OH)3花瓣狀，沒有Al(OH)3花朵形產(chǎn)生。從液滴和材料的界面結(jié)構(gòu)分析可以得知，(c)圖中鋁箔和液滴的接觸屬于典型的 Cassel模型［7］。在微米級Al(OH)3花朵之間的空隙中吸附著大量的空氣。水滴不能滲入到這種微納米結(jié)構(gòu)中。這樣形成了固－液－氣三相復合界面。這種復合界面表現(xiàn)出各項異性。表面的浸潤性和粗糙度由Cassel公式cosθr=f1cosθ－f2聯(lián)系起來。對應著空氣分數(shù)的f2越大，材料表面的疏水性越明顯。對比b圖和(c)圖，可以明顯看出，(b)圖空隙多，對應的f2必然大些。這正好解釋了在反應溫度140℃下形成超疏水表面的原因。

3 結(jié)論

本文通過使用加熱的NaCl和C6H12N4混合溶液與鋁化學反應的方法成功制備出鋁基超疏水表面，大幅度降低了制備成本。結(jié)果表明:表面微結(jié)構(gòu)中空隙分布直接決定著材料表面疏水效果，在制備過程中必須嚴格控制溶液的反應溫度。

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