超疏水船用铝合金表面制备及其耐久性.pdf

第４３卷第１期—２０１５年１月第４９５３页材料工ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ程ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏ１．４３Ｎｏ．１——Ｊａｎ．２０１５ｐｐ．４９５３疏水／超疏水船用铝合金表面制备及其耐久性ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＨｙｄｒｏｐｈ０ｂｉｃ／Ｓｕｐｅｒｈｙｄｒ０ｐｈ０ｂｉｃＷａｒｓｈｉｐＡｌｕｍｉｎｉｕｍＡｌｌｏｙＳｕｒｆａｃｅａｎｄＩｔｓＤｕｒａｂｉｌｉｔｙ连峰，王增勇，张会臣（３ｖ连海事大学交通运输装备与海洋工程学院，辽宁大连ｌ１６Ｏ２６）——ＩＩＡＮＦｅｎｇ，ＷＡＮＧＺｅｎｇｙｏｎｇ。ＺＨＡＮＧＨｕｉｃｈｅｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２６，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用溶胶一凝胶法将ＳｉＯｚ纳米粒子涂覆在抛光和经激光刻蚀的船用铝合金表面，制备疏水／超疏水铝合金表面。利用使试样负载并在砂纸上摩擦滑行的方法测试疏水／超疏水表面的耐久性，结果表明：抛光表面的接触角随ＳｉＯ。浓度的增高而增大，最大可达１５０．８。，但表面对水滴具有强黏附力。当摩擦滑行距离达到１０ｍ时，接触角小于铝合金表面原始接触角７２．３。；激光刻蚀的网格和点阵微结构表面既具有超疏水特性又呈现出低黏附力；且网格表面的接触角更大，最大达１５５．４。，滚动角更小，最小仅为０．３４。。当摩擦滑行距离达到１０ｍ时，表面依然疏水，且网格微结构的耐久性更强。关键词：疏水；超疏水；接触角；滚动角ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４３８１．２Ｏ１５．０１．００９中图分类号：ＴＨ１１７．１文献标识码：Ａ——文章编号：１００１４３８１（２Ｏ１５）０１００４９０５———Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＮａｎｏＳｉＯ２ｐｏｗｄｅｒｗａｓｃｏａｔｅｄｏｎｔｈｅｐｏｌｉｓｈｅｄａｎｄｌａｓｅｒｅｔｃｈｅｄｓｕｒｆａｃｅｂｙｔｈｅｓｏｌｇｅｌａｎｄｄｉｐ—ｃｏａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｅｐａｒｅｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ／ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｗａｒｓｈｉｐａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ／ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅｗａｓｔｅｓｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｌｏａｄａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｓｌｉｄｅｏｎｓａｎｄｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅｏｆｐｏｌｉｓｈｅｄｓｕｒｆａｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ—ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇＳｉＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｕｐｔｏ１５０．８。，ｂｕｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｈａｓｈｉｇｈａｄｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅｆｏｒｔｈｅｄｒｏｐ—ｌｅｔ．ＷｈｅｎｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｓｌｉｄｉｎｇｒｅａｃｈｅｓｌＯｍ。ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅｉｓ７２．３。ｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｏｒｉｇｉｎａ１．Ｔｈｅｓｕｒ—ｆａｃｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｌａｓｅｒｅｔｃｈｅｄｇｒｉｄｏｒｄｏｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｘｈｉｂｉｔｓｂｏｔｈｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃａｎｄｌｏｗａｄｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅ．ＴｈｅｇｒｉｄｓｕｒｆａｃｅｈａｓｇｒｅａｔｅｒｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅａｓｈｉｇｈａＳ１５５．４。，ａｎｄｓｍａｌｌｅｒｒｏｌｌａｎｇｌｅ，ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｉｓｏｎｌｙ０．３４。．ＷｈｅｎｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｓｌｉｄｉｎｇｒｅａｃｈｅｓｌＯｍ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｉｓｓｔｉｌｌｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ，ａｎｄｔｈｅｇｒｉｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓｇｒｅａｔｅｒｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ；ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ；ｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅ；ｒｏｌｌａｎｇｌｅ生物体表面的微纳米多尺度结构赋予其表面特殊浸润性能ｌ＿】］。花生叶表面对水滴同时表现出高的接触角与黏附力，翻转任何角度，水滴都不滚落．３＿。而荷叶表面对水滴表现出高的接触角与低黏附力，表面略“”微倾斜，水滴就会滚落并带走灰尘ｌ４］。将荷叶效应应用到舰船船体材料表面，为船体表面减阻和船体表面抗海洋生物附着］指引了崭新的方向。船体表面接触角的大小决定了海洋生物在其表面的附着强度，接触角越大，海洋生物附着越困难。船体表面的滚动角反映了黏附力的大小，滚动角越小，黏附力越小，越有助于液滴将附着在其表面的海洋生物带走ｌ８］。同时，研究还发现静态接触角对减阻效果影响较小，低黏附力才是决定减阻效果的重要因素］。因此理想的船体材料表面应该具有高的接触角和小的滚动角。江雷研究组＿１发现纳米结构是导致具有高静态接触角的关键原因，而微米结构和纳米结构的分布是影响黏附力的主要因素。与单纯具有微米或纳米结构的表面相比，具有微纳复合结构的表面同时具有更大的’”接触角和更小的滚动角。］。因此，表面微结构的制备是获得高接触角和低滚动角的必经途径。但从实际应用角度考虑，表面的微结构在受到摩擦时，其凸起结构容易被破坏甚至消失而难以维持超疏水性能。而人工制备的超疏水表面又不像生物体表面那样可以通过新陈代谢自我修复。考虑到固体表面的微结构不第４３卷第１期疏水／超疏水船用铝合金表面制备及其耐久性５３结构，捕捉磨粒能力更强，因此网格微结构表面的接触角减小更慢。由于刻蚀间距越小，激光扫描越密集，对试样表面的重熔强化处理作用越强，表面越耐磨，因此小间距微结构的表面接触角更大，如图５所示。ＬＪ３结论（１）抛光Ａ１一Ｍｇ合金表面接触角随ＳｉＯ浓度的增高而增大，最大可达１５０．８。。但表面对水滴具有强黏附力。（２）经激光刻蚀并涂覆浓度为１０ｇ／ＬＳｉＯ分散液的Ａ１一Ｍｇ合金表面接触角均达１５０。以上，且表面对水滴具有低黏附力。网格试样的接触角大于点阵试样，滚动角小于点阵试样。同种微结构，随着间距的增大，接触角减小，滚动角增大。（３）随摩擦滑行距离的增大，仅涂覆ＳｉＯ的抛光试样接触角急剧减小，当摩擦滑行距离达到１０ｍ时，涂覆各种浓度ＳｉＯ试样的接触角均小于原始表面的接触角７２．３。。（４）随摩擦滑行距离的增大，经激光刻蚀并涂覆１０ｇ／ＬＳｉＯ。分散液的试样的接触角缓慢减小。摩擦滑行距离达到１０ｍ时，各种微结构试样表面仍维持在疏水状态，且网格微结构的耐久性更加优异。［１］［２］［３］［４］［５］［６］参考文献江雷，冯琳．仿生智能纳米界面材料［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００７．—ＪＩＡＮＧＬ，ＦＥＮＧＬ．ＢｉｏｍｉｍｉｃＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＮａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄＩｎｔｅｒｆａｃｉａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ。２００７．ＦＥＮＧＩ，ＺＨＡＮＧＹＮ，ＸＩＪＭ，ｅｔａ１．Ａｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｔａｔｅｗｉｔｈｈｉｇｈａｄｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅ［Ｊ］．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００８，２４（８）：４Ｉ１４—４１１９．强小虎，张红霞，王彦平，等．强黏附性超疏水氧化铝的表面结构—和黏附机理［Ｊ］．材料工程，２Ｏ１３，（３）：５５６０．ＱＩＡＮＧＸＨ，ＺＨＡＮＧＨＸ，ＷＡＮＧＹＰ，ｅｔａ１．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｄｈｅｓｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃａｌｕｍｉｎａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｈｉｇｈａｄｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，—（３）：５５６０．ＧＡＯＸＦ，ＪＩＡＮＧＬ．ｗａｔｅｒ＿ｒｅｐｅｌｌｅｎｔｌｅｇｓｏｆｗａｔｅｒｓｔｒｉｄｅｒｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００４，４３２（７０１３）：３６．豆照良，汪家道，余锋，等．一种二元复合结构聚合物减阻涂层的—制备［Ｊ］．清华大学学报：自然科学版，２０１１，５１（１２）：１８４４１８４８．—Ｄ０ＵＺＬ，ＷＡＮＧＪＤ，ＹＵＦ，ｅｔａ１．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｉｎａｒｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉ—ｔｙ：ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，５１（１２）：１８４４１８４８．程宇锋，蔡文俊，孙国亮．船舶低表面能防污涂料研究进展［Ｊ］．化［８］［９］［１Ｏ］［ｎ］［１２］［１３］［１４］［１５］［１６］—学工程师，２０１０，１８０（９）：３６３８．ＣＨＥＮＧＹＦ，ＣＡＩＷＪ，ＳＵＮＧＬ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｈｉｐｐｉｎｇｌｏｗｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙａｎｔｉｆｏｕｌｉｎｇｐａｉｎｔｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒ，２０１０，—１８０（９）：３６３８．—ＣＡＲＭＡＮＭＬ，ＥＳＴＥＳＴＧ，ＦＥＩＮＢＥＲＧＡＷ，ｅｔａ１．Ｅｎｇｉ—ｎｅｅｒｅｄａｎｔｉｆｏｕｌｉｎｇｍｉｃｒ０ｔ０ｐ０ｇｒａｐｈｉｅｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｎｇｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙｗｉｔｈｃｅｌｌａｔｔａｃｈｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｂｉｏｆｏｕｌｉｎｇ：ｔｈｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏａｄｈｅｓｉｏｎａｎｄＢｉｏｆｉｌｍＲｅｓｅａｒｃｈ，２００６，２２（１）：１１～２１．—ＭＵＲＡＳＥＨ，ＮＡＮＩＳＨＩＫ，Ｋ０ＧＵＲＥＨ，ｅｔａ１．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｐｏｌｙｍｅｒｓａｎｄｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌ—ＰｏｌｙｍＳｅｉ，１９９４，５４（１３）：２０５１２０６０．ＣＡＳＳＩＥＡＢＤ，ＢＡＸＴＥＲＳ．Ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．—ＴｒａｎｓＦａｒａｄａｙＳｏｃ，１９４４，４０（５）：５４６５１１．王景明，王春，王明超，等．人造玫瑰花花瓣的微结构分布与水滴—黏附性质的关系［Ｊ］．高等学校化学学报，２０１１，３２（８）：１８０７１８１１．—ＷＡＮＧＪＭ，ＷＡＮＧＣ，ＷＡＮＧＭＣ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｐａｐｉｌｌａｅｗｉｔｈｎａｎｏｆｏｌｄｓｏｎｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｙ—ｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｄｒｏｓｅｐｅｔａｌｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＵｎｉ—ｖｅｒｓｉｔｉｅｓ，２０１１，３２（８）：１８Ｏ７１８１１．ＪＩＮＭＨ，ＦＥＮＧＸＪ，ＸＩＪＭ，ｅｔａ１．ＳｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃＰＤＭＳ—ｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｕｌｔｒａｌｏｗａｄｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅ［Ｊ］．ＭａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌａｒＲａｐｉｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，２６（２２）：１８０５～１８０９．—ＶＥＲＨ０Ｔ，Ｂ０ＷＥＲＣ，ＡＮＤＲＥＷＰ，ｅｔａ１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙｄｕｒａｂｌｅｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈ０ｂｉｃｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］。ＡｄｖＭａｔｅｒ，２０１１，２３（５）：６７３—６７８．—ＣＯＴＴＩＮＢＩＺＯＮＮＥＣ，ＢＡＲＲＡＴＪＬ，ＢＯＣＱＵＥＴＬ，ｅｔａ１．——Ｌｏｗｆｒｉｃｔｉｏｎｆｌｏｗｓｏｆｌｉｑｕｉｄａｔｎａｎｏｐａｔｔｅｒｎｅｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｎａ—ｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００３，２（４）：２３７２４０．何金梅，屈孟男．磨损增强型超疏水材料的制备及性能研究［Ｊ］．—摩擦学学报，２０１２，３２（３）：２１５２２０．—ＨＥＪＭ，ＱＵＭＮ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆａｂｒａｓｉｏｎｅｎｈａｎｃｅｄｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，２０１２，３２—（３）：２１５２２Ｏ．ＷＥＮＺＥＬＲＮ．Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓｏｌｉｄｓｕｒｆａｃｅｓｔｏｗｅｔｔｉｎｇｂｙｗａｔｅｒ—［Ｊ］．ＩｎｄＥｎｇＣｈｅｍ，１９３６，２８（８）：９８８９９４．Ｙ０ＳＨＩＭＩＴＳＵＺ，ＮＡＫＡＪＩＭＡＡ。ＷＡＴＡＮＡＢＥＴ，ｅｔａ１．—Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏ１３ｔｈｅｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙａｎｄｓｌｉｄｉｎｇｂｅ—ｈａｖｉｏｒｏｆｗａｔｅｒｄｒｏｐｌｅｔｓ［Ｊ］．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００２，１８（１５）：５８１８５８２２．基金项目：辽宁省工业攻关计划项目（２０１２２２０００６）；国家自然科学基金资助项目（５１２７５０６４，５０９７５０３６）；中央高校基本科研业务费专项资金（３１３２Ｏ１３３１１）————收稿日期：２０１３０７０１；修订日期：２０１４１０２５通讯作者：连峰（１９６５一），女，教授，博士，硕士生导师，研究方向为表面改性技术，摩擦学及其控制技术，先进制造技术，联系地址：辽宁省大连市甘井子区凌海路１号大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院—（１１６０２６），Ｅｍａｉｌ：ｌｉａｎｆｅｎｇｌ３５７＠１６３．ｃｏｒｎ