新型鋁合金表面疏水涂層研究

研究背景

鋁合金是一種常見的工程材料，因其具有比強度較高、易于加工等優點，廣泛應用于船舶、航空、建筑等領域。然而在潮濕環境中，鋁合金表面易結冰和腐蝕，這限制了它的使用范圍。超疏水表面是指與一定體積的水滴的接觸角大于 150°，同時滾動角小于10°的表面。這類表面不僅具有多尺度微納米粗糙結構，同時具有較低的表面能。這種特殊浸潤性表面具有優異的防水、防結冰、抗污、減阻自清潔性能，在延長材料使用壽命以及拓展應用領域等方面具有巨大的潛力。以苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）、疏水二氧化硅（h-SiO2）為原料，通過提拉法在鋁合金表面制備 SEBS/h-SiO2超疏水復合涂層。

實驗方法

采用光學接觸角測試儀（KRüSS）測量涂層對水的靜態接觸角，水滴大小為 2 μL，選取 3 個不同位置測量，取其平均值。涂層對水的滾動角測量方法為：水滴大小為 10 μL，轉動速度為 90 (°)/min，最大轉動角 30°，選取 3 個不同位置測量，取其平均值。

結果與討論

h-SiO2 用量對表面潤濕性能的影響

鋁合金表面 h-SiO2 納米顆粒的附著量會影響液滴與鋁合金的實際接觸狀態，從而影響靜態接觸角（CA）與滾動角（SA）的大小。由圖 1 可知，當無 h-SiO2 時，CA 為 119°，SA 大于 30°，隨著 h-SiO2 的用量逐漸增大，CA 逐漸增大，SA 逐漸減小。當 h-SiO2 和 SEBS 質量比為 3∶1 時，CA 大于 160°，SA 小于 1°。這是因為 SEBS 在鋁合金表面形成的高分子涂層具有良好的粘接性能，使得 h-SiO2 納米顆粒進入到涂層中，并形成一定的粗糙結構，改變液滴接觸狀態，從而引起表面潤濕性能的變化。由圖2可以看出，涂層表面分布著許多大小約為10 μm 的微凸體，在單個微凸體之上堆砌了直徑為 50 nm左右的二氧化硅顆粒。這種二元微納米粗糙結構與二氧化硅上的疏水基團相結合，使得表面潤濕性達到超疏水。

SEBS/h-SiO2 復合涂層的穩定性

為驗證 SEBS/h-SiO2 復合涂層的穩定性，在水中浸泡不同時間后，測試鋁合金表面的 CA、SA，結果如圖 3a、3b 所示。由圖可知，CA 變化波動較小，在120 min 內，均能保持在 160°左右，但隨著浸泡時間的增長，SA 逐漸變大，且變化趨勢明顯，可以預測2 h 后，超疏水表面將會失效。但是經過干燥后，SA 恢復初始水平。這是因為隨著浸泡時間增長，更多的水分子進入復合涂層孔隙之中，使得液滴與鋁合金表面接觸面積增大，受到的結合力增大，從而不利于液滴滾動。經過干燥后，孔隙中水分子消失，液滴與鋁合金表面接觸狀態發生改變，從而呈現超疏水性。復合涂層處理的鋁合金放置在空氣中 30 天后，其 CA 的變化見圖 3c，液滴與表面的粘附狀況見圖 3d。結果顯示，CA 基本無變化，表面的抗粘附性能表現良好。所以，SEBS/h-SiO2 復合涂層表現出優異的穩定性。

小結

在 AMS 4037 鋁合金表面制備了 SEBS/h-SiO2 超疏水復合涂層。該涂層具有良好的穩定性與自清潔能力。當 SEBS 和 h-SiO2 質量比為 1∶3 時，得到了最佳 CA=160.4°，SA 小于 1°，涂層表面形貌為不規則的凸起均勻覆蓋的粗糙表面，同時 h-SiO2 表面具有疏水基團，滿足表面超疏水性能要求條件。

[1]薛森,石濤,彭華喬,蘇正良.SEBS/h-SiO2復合涂層疏水性能研究[J].表面技術,2022,51(01):265-271.DOI:10.16490/jcnki.issn.1001-3660.2022.01.028.