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无氟超疏水表面的固液界面减阻性能

2019年10月27日 点击:

        超疏水表面因其独特的微纳二元协同结构及憎水特性,在固液界面高效减阻领域具有广泛应用。现有的超疏减阻表面大多采用传统氟化物分子层做表面修饰,但碳和氟之间的强极性键,不易降解,对人体及生态具有潜在威胁。


      对于超疏水表面的制备,常用氟化物而对于无氟超疏水表面及其减阻性能研究甚少。此次黑龙江大学的邱成军教授课题组提出一种可实现固液界面减阻的无氟超疏水表面的制备新方法,替代氟化物的改性使用,解决环保及生态的问题。


一、超疏表面减阻机理及表征


       用于固液界面减阻的超疏表面制备主要有:

1:在低表面能疏水材料表面形成微纳量级的粗糙结构; 

2:在高表面能亲水固体表面制备微纳结构构成超亲水表面,再进行表面改性修饰为超疏水表面。


润湿性表征: KRÜSSDSA 100液滴形状分析仪


二、超疏表面制备方法及性能测试


1、固液界面减阻的微纳结构制备


        制备上,将 5052 合金切割成长方形样品。砂纸打磨去除表面氧化层,分别用 3 M 盐酸进行不同时间的腐蚀,铸造出微纳量级的粗糙表面,烘干。


       从润湿性上看,将样品在盐酸溶液中腐蚀 1,5,15,20 min,接触角分别为 70°,55°,0°,0°,由亲水表面转变为超亲水表面。根据 Wenzel 理论结合杨氏方程,液体完全渗入粗糙表面的台阶结构中,其中固体表面粗糙因子总是大于 1,对于本方法中铝合金亲水基底,增大表面粗糙度提高亲水性成超亲水表面,经低表面能修饰后疏水性则越好,改性成超疏水表面。


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图1. 在 3M 盐酸中分别刻蚀不同时间的 SEM 形貌


2、无氟物质制备及修饰


       不用氟化物,直接采用具有疏水性且低成本的天然树脂和炭黑对铝合金进行表面能修饰。炭黑的浓度与表面接触角的变化如图 2所示,随着炭黑的质量分数增加,表面的静态接触角先变大再变小。当炭黑分散液质量分数的增加从 0.05 ~ 2.00% ,表面静态接触角呈现增大的趋势,但接触角均小于 150°。


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图2.不同质量分数炭黑涂层的接触角变化


        分析原因,附着在微结构上的炭黑颗粒较少,表面未被疏水的炭黑完全覆盖。当炭黑分散液质量分数为 10% ,表面静态接触角达到极大值155°,滚动角为1. 38°,微观形貌图如图 3 所示,炭黑颗粒多以微小团簇的形式存在。当碳黑质量分数继续增加接触角反而下降,因为大量炭黑经涂覆表面后,单位面积上的炭黑颗粒数过量,不仅减小了天然松香涂层的黏附力,还降低了微结构的粗糙度,所以10% 为炭黑修饰溶液最佳质量分数。


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图3.质量分数为 10%炭黑涂层 SEM 图像


三、超疏表面稳定性测试


        超疏表面稳定性一直是实际应用中考量的重要因素,本次采用浸没计数法和连续水滴冲击的方式进行测试。


       首先将粗糙化处理结合松香涂层及 10%炭黑质量分数修饰的样品充分浸入水中再取出 80次以上,超疏表面的完整性并没有明显变化,静态接触角和滚动角仍分别保持在 152°、2° ~ 8°范围之内。


      再通过水滴较长时间连续冲击来进一步测试,冲击 3 h 后静态接触角如图 4所示,由 155.0°变化到 150.5°,和之前使用炭黑涂层的文献相比,稳定性进一步得到优化改善,充分说明本方法制作的超疏表面在流动液体下长时间冲击下,仍具有良好的稳定性。


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图4. 水滴冲击测试前后接触角变化


四、总结


        采用快速化学腐蚀法结合天然松香、炭黑改性修饰处理,得到一种无氟制备超疏水表面新方法,实现铝合金材料由亲水到超亲水再到超疏水的润湿性转换,证明表面不仅具有憎水特性,还具有良好的减阻特性。




    本文来自

李思奇,刘晓为,邱成军,李 玲,张海峰. 用于固液界面减阻无氟超疏水表面制备新方法[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2019:5.