專利名稱：：具有粗糙表面的超疏水防覆冰鋁和鋼的表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種具有粗糙表面的超疏水防覆冰鋁和鋼的表面處理方法。
背景技術(shù)：
：結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于制冷和低溫運(yùn)行設(shè)備的金屬零部件中，例如熱泵機(jī)組的空氣盤管、航空航天器的機(jī)翼和表面、空調(diào)、冰箱內(nèi)表面等，給設(shè)備的穩(wěn)定工作帶來了不同程度的危害。傳統(tǒng)的工程材料表面防結(jié)冰技術(shù)多利用機(jī)械或加熱技術(shù)除冰、融冰，如熱力融冰、過電流融冰、短路融冰、帶負(fù)荷融冰等。現(xiàn)有的一些發(fā)明技術(shù)也是基于"融冰"的思路，如采用高頻脈沖電流加熱振蕩法對輸配電線路防覆冰除融冰，采用與輸配電的導(dǎo)線一同敷設(shè)的導(dǎo)體發(fā)熱來防覆冰。但這些方法不能從根本上解決問題，且在除冰時需停止設(shè)備，并配以專門的除冰系統(tǒng)和裝備。這無疑給生產(chǎn)帶來了不便，同時也消耗了大量的能源，增加了成本。為此，部分研究人員以抑制結(jié)冰為出發(fā)點(diǎn)，探索出了一些抑制結(jié)冰的方法。如在冷表面涂以親水性抑霜涂料，可降低霜的厚度達(dá)10-30%，但這種涂層較厚，約0.77mm，影響到冷表面空氣流通，且涂料中的有機(jī)成分易揮發(fā)，使得其使用壽命較低；北京工業(yè)大學(xué)劉中良等開發(fā)了一種強(qiáng)親水性抑霜涂料，該涂料含有吸水性樹脂，可吸收大量水分，且添加的氯化鈉或氯化鉀顆?？捎行Ы档退谋c(diǎn)，使吸收涂料內(nèi)的水分長時間保持不凍結(jié)，從而抑制初始霜晶的出現(xiàn)，起到抑霜的作用，但這種強(qiáng)親水性表面吸收的水分不易快速揮發(fā)，由于只是降低水的冰點(diǎn)，所以在溫度更低時反而會促進(jìn)霜晶的形成，加劇表面的結(jié)霜。仿照具有"荷葉效應(yīng)(LotusEffect)"生物體特殊的表面微觀結(jié)構(gòu)，可在金屬表面構(gòu)筑類似的特殊結(jié)構(gòu)，得到具有超疏水特性的金屬表面。這種超疏水金屬表面在自凈、減阻、耐腐蝕、抗結(jié)冰等領(lǐng)域有著極其巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景。以此為啟發(fā)，一些疏水性防結(jié)冰涂料和鍍膜技術(shù)相繼被開發(fā)。如將有機(jī)硅烷和/或氟硅樹脂、快干性溶劑、主體溶劑室溫?cái)嚢韬?，相繼加入聚氧化乙烯、硅烷偶聯(lián)劑促進(jìn)劑、氧化硅和/或氧化鋁顆粒攪拌，最后涂覆在試樣表面固化得到防結(jié)冰涂層，可使結(jié)霜量減少40%，但這種技術(shù)對形狀復(fù)雜的設(shè)備和零件的一些部位不易涂覆，使得防護(hù)不均勻，且涂料中的有機(jī)溶劑易揮發(fā)，使用壽命較低，結(jié)霜層也需在機(jī)械振動下去除，對一些需防結(jié)冰但不能進(jìn)行振動的精密儀器、設(shè)備和零件有一定的局限性；通過真空蒸鍍方式，在輸電電纜表面涂鍍正三十六烷疏水層也可延遲初始霜晶的形成，形成的霜晶結(jié)構(gòu)疏松，較易去除，但需要指出的是，這種鍍膜方法需要在真空度小于1.3X10—5的真空條件下進(jìn)行，顯然不易進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。研究表明[ByeongchulN，RalphLW，Int.JHea備assTransfer,2003，46，3797-3808]，固體表面的粗糙度會降低水蒸氣的過飽和度，從而降低水珠的成核率和成核速度，延緩初始霜晶的形成，起到抑霜的作用。同時，疏水性表面形成水珠的勢壘比親水性表面大，因此疏水性表面上凝結(jié)成液核的數(shù)量較親水性表面小。因此，在固體表面，尤其是3應(yīng)用廣泛的鋁和鋼的表面同時構(gòu)筑粗糙度和疏水性，將會更有效的延緩初始霜晶的出現(xiàn)，顯著提高鋁和鋼表面的抗結(jié)冰性能。但基于這種思路，且針對鋁和鋼表面的疏水性防結(jié)冰技術(shù)尚未見有報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種超疏水防覆冰粗糙鋁和鋼表面的處理方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種超疏水防覆冰粗糙鋁和鋼表面的處理方法，處理的步驟如下(1)前處理將鋁片和鋼片依次用丙酮、去離子水超聲波清洗并烘干；(2)濕化學(xué)刻蝕將鋁片或鋼片懸掛于盛有鹽酸溶液的密閉裝置中，然后將密閉裝置置于恒溫水浴槽中，10(TC沸水溫度下使鹽酸揮發(fā)，并用揮發(fā)的鹽酸刻蝕鋁片或鋼片，取出鋁片或鋼片后用清水沖洗并烘干；所述鹽酸的體積分?jǐn)?shù)為20%_80%，刻蝕時間為15min-lh;(3)氟化處理將刻蝕后的鋁片和鋼片放入盛有氟硅烷正己烷溶液的密閉容器內(nèi)，并一同放入箱式電爐中200-30(TC下保溫l-2h，實(shí)現(xiàn)鋁片和鋼片表面的氟硅烷修飾；隨后取出樣品，于180-30(TC下在空氣中保溫l-2h，即可得到具備超疏水特性的鋁和鋼表面；制備的鋁和鋼表面的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)表明，這種表面有很好的防覆冰性能；所述氟硅烷溶液的配制過程為將氟硅烷溶于正己烷溶劑中，氟硅烷與正己烷溶劑的重量百分比為1_5%，再加入氟硅烷正己烷溶液重量的2-4X、pH值為3的醋酸水溶液，充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂?。本發(fā)明制備得到了具有粗糙表面的超疏水防覆冰鋁和鋼的表面。首先，鋁和鋼表面的粗糙度會降低水蒸氣的過飽和度，從而降低水滴的成核率和成核速度，延緩初始霜晶的形成，起到抑霜的作用。其次，這種表面對水具有優(yōu)良的超疏水性能和很低的粘滯力，與水滴接觸時，具有很高的接觸角(>150°)和極低的滾動角(1°)。超疏水性表面不但會增大形成水珠的勢壘，減小表面水滴凝結(jié)成液核的數(shù)量，同時會在與水滴接觸時，在接觸界面截留空氣形成"氣墊"，顯著減小水珠與固體表面的實(shí)際接觸面積(<10%)，從而在低溫時有效降低表面與水滴間的熱量交換，增大水珠凝結(jié)所需的能量，最終使得水滴難以凝結(jié)成核形成初始霜晶，并抑制在初始霜晶基礎(chǔ)上生長的霜層的形成和生長。需要指出的是，由于制備的鋁和鋼表面對水滴的粘滯性較低，水滴在這種表面極易滾落，輕微的振動，甚至是風(fēng)吹都有可能使得水滴滾落，從而不易吸附凍結(jié)形成霜晶，即使形成，也由于粘滯性較低而極易滑落，從而不但起到了抑制結(jié)冰的作用，還起到了除冰的效果，真正實(shí)現(xiàn)鋁和鋼表面的防覆冰。因此，在應(yīng)用廣泛的鋁和鋼表面制備具有一定粗糙度的超疏水防覆冰表面，不但會更有效的延緩初始霜晶的出現(xiàn)，顯著提高鋁和鋼表面的抗結(jié)冰性能，還可以利用表面的低粘滯性來除冰，實(shí)現(xiàn)真正的鋁和鋼表面防覆冰。如在潛艇或艦船的外殼上制備這種超疏水防覆冰表面，不但可保持表面的自清潔、提高航行速度和耐海水腐蝕性，還可使外殼在低溫條件下沒有覆冰，從而為它們在低溫條件下，如在南極、北極或其它高寒地區(qū)的航行，提供保障。本發(fā)明提供的制備工藝基于濕化學(xué)刻蝕法，所需原材料為丙酮、鹽酸、氟硅烷、正己烷、醋酸等常見溶劑，所需設(shè)備為超聲波清洗機(jī)、恒溫水浴槽、密閉容器、箱式電爐等常見設(shè)備，工藝步驟和設(shè)備作十分簡單，且根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的需求，通過適當(dāng)調(diào)整即可滿足要求，效率高、成本低。此外，這種鋁和鋼表面超疏水防覆冰的處理方法，對鋁和鋼本身沒有特殊要求，且對復(fù)雜產(chǎn)品的一些不易涂鍍的部位也能進(jìn)行有效處理。因此，本發(fā)明提供的具有粗糙表面的超疏水防覆冰鋁和鋼的表面處理方法適用性較廣，易工業(yè)化應(yīng)用。圖1為制備的超疏水防覆冰粗糙鋁表面的掃描電鏡圖及表面水珠形態(tài)。圖2為未經(jīng)處理的鋁表面在結(jié)霜實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)霜形態(tài)(二值化處理后)。圖3為制備的超疏水防覆冰粗糙鋁表面在結(jié)霜實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)霜形態(tài)(二值化處理后)。圖4制備的超疏水防覆冰粗糙鋼表面的掃描電鏡圖及表面水珠形態(tài)。圖5為未經(jīng)處理的鋼表面在結(jié)霜實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)霜形態(tài)(二值化處理后)。圖6為制備的超疏水防覆冰粗糙鋼表面在結(jié)霜實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)霜形態(tài)(二值化處理后)。具體實(shí)施例方式—種超疏水防覆冰粗糙鋁和鋼表面的處理方法(1)前處理將鋁片和鋼片依次用丙酮、去離子水超聲波清洗并烘干；(2)濕化學(xué)刻蝕將鋁片或鋼片懸掛于盛有鹽酸溶液的密閉裝置中，然后將密閉裝置置于恒溫水浴槽中，10(TC沸水溫度下使鹽酸揮發(fā)，并用揮發(fā)的鹽酸刻蝕鋁片或鋼片，取出鋁片或鋼片后用清水沖洗并烘干；所述鹽酸的體積分?jǐn)?shù)為20%_80%，刻蝕時間為15min-lh;在本實(shí)施例中，鹽酸的體積分?jǐn)?shù)選用20%、80%或68%，刻蝕時間15min、lh或37min;(3)氟化處理將刻蝕后的鋁片或鋼片放入盛有氟硅烷正己烷溶液的密閉容器內(nèi)，并一同放入箱式電爐中200-30(TC下保溫l-2h，實(shí)現(xiàn)鋁片和鋼片表面的氟硅烷修飾；隨后取出樣品，于180-30(TC下在空氣中保溫l-2h，即可得到具備超疏水特性的鋁和鋼表面；制備的鋁和鋼表面的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)表明，這種表面有很好的防覆冰性能；所述氟硅烷溶液的配制過程為將氟硅烷溶于正己烷溶劑中，氟硅烷與正己烷溶劑的重量百分比為1_5%，再加入氟硅烷正己烷溶液重量的2-4%、pH值為3的醋酸水溶液，充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂茫辉诒緦?shí)施例中，氟化用的氟硅烷正己烷溶液中，氟硅烷與正己烷溶劑的重量百分比為1%、5%或3.2%，加入的醋酸水溶液為氟硅烷正己烷溶液重量的2%、4%或3.3%，密閉容器放入箱式電爐中加熱至20(TC、30(rC或148t:，并保溫lh、2h或1.4h，鋁片或鋼片樣品最后在180。C、300。C或247。C下的空氣中保溫lh、2h或1.7h。實(shí)例1首先用丙酮、去離子水超聲波清洗鋁片并烘干；隨后用濃度為40%的鹽酸水溶液，在沸水槽內(nèi)的密閉容器中，蒸汽法刻蝕鋁片lh，取出后清水沖洗并烘干；用pH值為3的醋酸水溶液調(diào)節(jié)氟硅烷正己烷溶劑，其中氟硅烷與正己烷的重量百分比為2%，醋酸水溶液與氟硅烷正己烷溶液的重量百分比也為2%;將刻蝕后的鋁片懸掛于上述氟硅烷正己烷溶液上方，密閉后一同放入箱式電爐中25(TC下保溫2h，實(shí)現(xiàn)鋁片表面的氟硅烷修飾；隨后取出樣品，繼續(xù)于25(TC下保溫0.5h，得到的具備超疏水特性的粗糙鋁表面的形貌及表面水5滴形態(tài)如圖1所示，相應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可見，同未處理的鋁片表面相比，制備得到的鋁表面超疏水性能較好，且水滴極易滾落。試樣結(jié)霜實(shí)驗(yàn)的條件如下環(huán)境溫度5°C，冷表面溫度_5°C，相對濕度77%，采用半導(dǎo)體制冷方式制冷，每2min通過圖像采集系統(tǒng)對結(jié)霜的過程進(jìn)行實(shí)時采集，并對采集的圖像進(jìn)行二值化處理，最后從二值化圖像中獲取霜層高度等相關(guān)信息，并以此來衡量試樣的抗結(jié)冰性能。對于未經(jīng)處理的鋁片表面，其結(jié)霜實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，結(jié)霜試驗(yàn)進(jìn)行2min時，未經(jīng)處理的鋁片表面已形成霜層，且分布均勻(圖2中l(wèi)所指)；隨著結(jié)霜試驗(yàn)的進(jìn)行，表面上的霜層不斷生長，霜層高度不斷增加，10min時結(jié)霜嚴(yán)重(圖2中5所指)，霜高達(dá)到0.1542mm，顯示出較差的防結(jié)冰性能。對于制備的超疏水防覆冰粗糙鋁表面，其結(jié)霜實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。這種表面的結(jié)霜速度明顯降低，在最初的4min里幾乎沒有霜晶形成(圖3中1和2所指)，隨后雖有少量初始霜晶形成(圖3中3和4所指)，但速度較低，至10min時，也僅有少量初始霜晶，仍未形成霜層(圖3中5所指)，霜晶的平均高度僅為0.0354mm。表1制備的鋁片表面與水的接觸角、滾動角及防覆冰性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)例2將鋼片依次用丙酮、去離子水超聲波清洗并烘干；將濃度為75%的鹽酸溶液和懸掛有鋼片的密閉容器置于沸水槽內(nèi)30min，隨后取出，清水沖洗并烘干；用pH值為3的醋酸水溶液調(diào)節(jié)氟硅烷正己烷溶劑，其中氟硅烷與正己烷的重量百分比為2%，醋酸水溶液與氟硅烷正己烷溶液的重量百分比也為2%;將刻蝕后的鋼片放入盛有上述氟硅烷正己烷溶液的密閉容器內(nèi)，并一同放入箱式電爐中25(TC下保溫2h，實(shí)現(xiàn)鋼片表面的氟硅烷修飾；隨后取出樣品，繼續(xù)于25(TC下保溫0.5h，得到的具備超疏水特性的粗糙鋼表面的形貌及表面水滴形態(tài)如圖4所示，相應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可見，同未處理的鋼片表面相比，制備得到的鋼表面超疏水性能較好，且水滴極易滾落。表2制備的鋼片表面與水的接觸角、滾動角及防覆冰性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>鋼片表面結(jié)霜實(shí)驗(yàn)條件與鋁片表面結(jié)霜實(shí)驗(yàn)相同，相應(yīng)的結(jié)果如圖5和圖6所示。未經(jīng)處理的鋼片表面的結(jié)霜情況與未經(jīng)處理的鋁片類似，結(jié)霜實(shí)驗(yàn)2min就開始出現(xiàn)霜晶，但分布稀疏，4min時出現(xiàn)了霜層，且隨著結(jié)霜試驗(yàn)的進(jìn)行，霜層不斷增高，如圖5所示，lOmin時達(dá)到了O.14mm，結(jié)冰現(xiàn)象嚴(yán)重。同制備的超疏水防覆冰粗糙鋁表面類似，制備的超疏水防覆冰粗糙鋼表面在結(jié)霜實(shí)驗(yàn)的10min里只出現(xiàn)很稀疏的霜晶，一直未形成霜層，如圖6所示，且10min時的平均霜晶高只有0.0108mm，顯示出優(yōu)異的防覆冰效果。權(quán)利要求一種超疏水低粘著性防覆冰銅表面的制備方法，其特征在于所述制備方法包括下列步驟(1)前處理將鋁片和鋼片依次用丙酮、去離子水超聲波清洗并烘干；(2)濕化學(xué)刻蝕將鋁片或鋼片懸掛于盛有鹽酸溶液的密閉裝置中，然后將密閉裝置置于恒溫水浴槽中，100℃沸水溫度下使鹽酸揮發(fā)，并用揮發(fā)的鹽酸刻蝕鋁片或鋼片，取出鋁片或鋼片后用清水沖洗并烘干；所述鹽酸的體積分?jǐn)?shù)為20％-80％，刻蝕時間為15min-1h；(3)氟化處理將刻蝕后的鋁片和鋼片放入盛有氟硅烷正己烷溶液的密閉容器內(nèi)，并一同放入箱式電爐中200-300℃下保溫1-2h，實(shí)現(xiàn)鋁片和鋼片表面的氟硅烷修飾；隨后取出樣品，于180-300℃下在空氣中保溫1-2h，即可得到具備超疏水特性的鋁和鋼表面；制備的鋁和鋼表面的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)表明，這種表面有很好的防覆冰性能；所述氟硅烷溶液的配制過程為將氟硅烷溶于正己烷溶劑中，氟硅烷與正己烷溶劑的重量百分比為1-5％，再加入氟硅烷正己烷溶液重量的2-4％、pH值為3的醋酸水溶液，充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂谩Ｈ恼哂写植诒砻娴某杷栏脖X和鋼的表面處理方法將鋁片和鋼片依次用丙酮、去離子水超聲波清洗并烘干，懸掛于盛有體積分?jǐn)?shù)為20％-80％鹽酸水溶液的密閉裝置中，然后在水浴槽中100℃沸水溫度下，用揮發(fā)鹽酸刻蝕鋁片或鋼片15min-1h；刻蝕后的鋁片和鋼片在氟硅烷的正己烷溶液中蒸鍍修飾氟硅烷，蒸鍍溫度200-300℃，時間1-2h，最后將取出的樣品于180-300℃下在空氣中保溫1-2h，氟硅烷溶液中，氟硅烷的質(zhì)量與正己烷的質(zhì)量百分比為1-5％，加入的醋酸水溶液pH值為3，重量為氟硅烷正己烷溶液的2-4％。文檔編號C23C22/34GK101705488SQ20091021277公開日2010年5月12日申請日期2009年11月9日優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日發(fā)明者余新泉,周荃卉,張友法,李康寧,陳鋒申請人:東南大學(xué)