一种铝基材表面的疏冰改性方法技术

本发明专利技术公开了一种铝基材表面的疏冰改性方法，首先通过阳极氧化处理在铝基材表面形成多个微纳米级的孔洞，使铝基材表面具有类似于荷叶表面的结构，然后再进一步采用含端功能基的修饰剂对其进行改性处理，通过研究不同改性剂对阳极氧化处理后铝基材防覆冰性能的影响，制备出了防覆冰及自清洁功能较好的铝基材，同时为铝基材在防覆冰领域的应用提供了可靠的理论指导。同时本发明专利技术的改性镀膜方式简单，制备成本低廉，从而大大降低了生产成本，且能够根据实际需求制备出具有不同防覆冰性能的铝基表面，且冰在表面粘附性弱，具有良好的防结冰性能，且本发明专利技术的疏冰改性方法适用于在不同的铝基材基底上镀膜，且成膜均匀性好。

A method of ice free surface modification of aluminum substrate

【技术实现步骤摘要】
一种铝基材表面的疏冰改性方法
本专利技术涉及金属基材表面处理
，尤其涉及一种铝基材表面的疏冰改性方法。
技术介绍
铝及铝合金因具有良好的延展性、导电性、较轻的重量等等，被用于生活生产的诸多方面。但是随着社会的发展，人们对于铝及其它材料表面的要求也日渐苛刻。例如：冬日里输电线路在冰雪天气之下，容易遭冰雪覆盖，从而严重威胁寒冷地区的电力及通信网络的安全运行。同时线路覆冰常引起输电线路倒杆(塔)、断线和绝缘子闪络等重大事故，对电力系统的安全运行产生严重危害，造成巨大的经济损失。因此，世界各国早已开展了广泛的研究，设计出了防冰除冰的许多方案，到目前为止国内外防冰除冰技术有许多，如可控硅整流融冰装置、基于电磁力的除冰方法、利用电动机械装置的除冰方法、高频高压激励除冰方法和电脉冲除冰方法等。但是以上的方法都是被动除冰，且这些方法往往需要耗费较多人力物力或是对环境造成污染，且不能达到防覆冰的效果。针对输电线路覆冰，应以防为主，在雪冻恶劣气候条件下，防止输电导线结冰，可以减少除冰作业，节省人力和物力。基于此，可在输电导线表面涂覆具有防覆冰功能的涂层以此来延长结冰、减少覆冰面积，从而达到有效防覆冰目的。理想的防覆冰涂层应该满足以下两点：其一，过冷水在结冰之前能够从表面滚动滑落。其二，表面对冰的附着力比较弱。在超疏水表面，水滴在基底材料表面呈球形状态，与基底的接触面积大大减小，尤其是处于C-B模型时，由于气层的存在，热传递过程受到阻碍，能进一步降低热传导速率，延迟液滴结晶时间。另外，水滴在粗糙的超疏水表面结晶是异相成核过程，需要克服自由能垒，表观接触角越大，需要克服的能垒越高。基于此，有研究者提出在铝基输电线路表面制备具有防覆冰特点的超疏水功能涂层以解决上述技术问题。如(TangY,ZhangQ,ZhanX,etal.Superhydrophobicandanti-icingpropertiesatovercooledtemperatureofafluorinatedhybridsurfacepreparedviaasol-gelprocess[J].SoftMatter,2015,11(22):4540-4550)采用溶胶-凝胶法，通过甲基三乙氧基硅烷(MTES)，3-[(全氟己基磺酰)氨基]-丙基三乙氧基硅烷(HFTES)以及纳米SiO2溶胶的水解缩合反应，制备超疏水涂层。当HFTES含量超过30％时，涂层具有最佳的防覆冰特性。在-20℃下能够保持接触角稳定在161°，滚动角为9°，能够使过冷状态下的水滴在结冰之前会从表面滚动。此外，与未涂覆超疏水的玻璃表面相比，能够推迟结冰时间长达1888s。如(RuanM,LiW.WangB,etal.Preparationandanti-jcingbehaviorofsuperhydrophobicsurfacesonaluminumallovsubstrates[J].Langmuir,2013,29(27):8482-8491)通过一步化学刻蚀法，快速地在铝合金基底上制备超疏水功能表面，接触角达159.1°，接触角滞后为4°，表面具有极好的防覆冰性能。当表面水平放置时，结冰温度从-2.2℃降低到-6.1℃，结冰时间从406s延长至676s。表面倾斜20°角度放置时，水滴很容易从表面滚落，结冰温度可低至-8℃。然而，超疏水表面在防覆冰领域应用方面主要面临的问题是在低温高湿的条件下，水汽容易在微纳米粗糙表面的毛细管结构凝结，使水滴与表面的接触角下降，容易从C-B复合接触状态转化为wenzel状态，从而使粘附性增加。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种铝基材表面的疏冰改性方法，首先通过阳极氧化处理在铝基材表面形成多个微纳米级的孔洞，使铝基材表面具有类似于荷叶表面的结构，然后再进一步采用含端功能基的聚合物对其进行改性处理，通过研究不同改性剂对阳极氧化处理后铝基材防覆冰性能的影响，制备出了防覆冰功能较好的铝基材，同时为铝基材在防覆冰领域的应用提供了可靠的理论指导。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种铝基材表面的疏冰改性方法，包括如下步骤：S1、取铝基材，对铝基材表面进行前处理；S2、对经前处理的铝基材表面进行阳极氧化处理，以形成多个微纳米级的孔洞，使铝基材表面具有类似于荷叶表面的结构；S3、将经阳极氧化处理后的铝基材与含有端羧基、端羟基、端氨基、端磺酸基的端功能基修饰剂溶液中的一种反应，然后经清洗、干燥后，即得到铝基疏冰表面。作为上述技术方案的进一步限定，步骤S1中，对铝基材进行前处理的方法为：先用800～2000目的SiC砂纸进行打磨至表面光亮，以去掉铝基表面的氧化物薄膜，同时在铝基表面形成不规则的突起及沟壑，然后使用丙酮、乙醇和去离子水依次对铝基材进行超声震荡清洗。铝在空气中易发生自然氧化，表面形成一层致密的氧化膜，本专利技术在进行实验之前，需要对铝基材进行预处理。从而减少铝在加工过程中产生的划痕、凸凹不平等缺陷；并清除铝基体表面附着的灰尘、油脂等污染物，防止其污染电解液，同时可以保证铝基体与电解液充分接触；同时改善铝基体表面的物理和化学特性，使其更好的进行反应。此外，对铝基材进行打磨处理后还需进行超声震荡清洗，这是由于清洗后的最终状态决定了铝基材的表面特性，同时，直接或间接地影响了疏冰薄膜和基体之间的粘结力、薄膜的显微结构、致密度、形貌和力学特性。作为上述技术方案的进一步限定，步骤S2中，所述阳极氧化处理所用电解液为硫酸溶液，硫酸浓度为10～20％，电流为3～5mA，阳极氧化处理时间为1～3h。在阳极氧化的过程中，硫酸溶液对生成的阳极氧化膜会造成“有限度”的溶解，溶液浓度过高后会加速膜的溶解，不利于膜的生长平衡，采取较稀的硫酸溶液将会利于膜的生长。当硫酸浓度过低的时候，溶液的导电性下降，成膜的电压和能耗增大，氧化时间加长。专利技术人经过大量实验发现：当硫酸浓度为15％时，成膜的微观结构在进行了疏水改性修饰之后，接触角最大，疏冰性能最佳。在阳极氧化的过程中，恒电流大小反映了阳极氧化电化学反应的速度，即电流越大，氧化膜的成膜速度越快，但是同时会造成氧化膜粗糙、疏松，生成的膜孔变大，成膜不均匀，因此在保证一定成膜速度的情况下，减少电流密度，可以使得生成的氧化膜较为均匀稳定。专利技术人经过大量实验发现：当恒电流为4mA时，接触角最大，疏冰性能最佳。作为上述技术方案的进一步限定，步骤S3中，所用的端功能基聚合物为带有端羧基、端羟基、端氨基或端异氰酸酯基的脂肪酸、聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、十二烷基苯磺酸钠、六次甲基四胺。作为上述技术方案的进一步限定，所述脂肪酸为CH3(CH2)nCOOH，n＝10～18。作为上述技术方案的进一步限定，所用的端功能基聚合物溶液以乙醇、四氢呋喃、二甲苯、甲苯、水、乙酸乙酯、溶剂油为溶剂。作为上述技术方案的进一步限定，所述的铝基材包括铝片或铝线。作为上述技术方案的进一步限定，步骤S3中，所述干燥为自然晾干或60～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基材表面的疏冰改性方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、取铝基材，对铝基材表面进行前处理；/nS2、对经前处理的铝基材表面进行阳极氧化处理，以形成多个微纳米级的孔洞，使铝基材表面具有类似于荷叶表面的结构；/nS3、将经阳极氧化处理后的铝基材与含有端羧基、端羟基、端氨基、端磺酸基的端功能基修饰剂溶液中的一种反应，然后经清洗、干燥后，即得到铝基疏冰表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种铝基材表面的疏冰改性方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取铝基材，对铝基材表面进行前处理；
S2、对经前处理的铝基材表面进行阳极氧化处理，以形成多个微纳米级的孔洞，使铝基材表面具有类似于荷叶表面的结构；
S3、将经阳极氧化处理后的铝基材与含有端羧基、端羟基、端氨基、端磺酸基的端功能基修饰剂溶液中的一种反应，然后经清洗、干燥后，即得到铝基疏冰表面。


2.根据权利要求1所述的一种铝基材表面的疏冰改性方法，其特征在于，步骤S1中，对铝基材进行前处理的方法为：先用800～2000目的SiC砂纸进行打磨至表面光亮，以去掉铝基表面的氧化物薄膜，同时在铝基表面形成不规则的突起及沟壑，然后使用丙酮、乙醇和去离子水依次对铝基材进行超声震荡清洗。


3.根据权利要求1所述的一种铝基材表面的疏冰改性方法，其特征在于，步骤S2中，所述阳极氧化处理所用电解液为硫酸溶液，硫酸浓度为10～20％，电流为3～5mA，阳极氧化处理时间为1～3h。

【专利技术属性】
技术研发人员：阮敏，陈莹，吴航，汪孝锟，陈跃，徐先锋，
申请(专利权)人：湖北理工学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42