本發(fā)明屬于金屬表面處理及其改性技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁基液體注入型減阻表面的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，超疏表面的研究獲得了人們的廣泛關(guān)注，主要是因?yàn)槌璞砻嬖诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)上和人們的日常生活中有非常廣闊的應(yīng)用前景。超疏表面可用于輪船的外殼和潛艇的表面達(dá)到防止海水腐蝕和防止水生物污染等效果，同時(shí)超疏水表面具有減阻的效果，可以提高其行駛速度。另外超疏表面還可以用于石油管道的運(yùn)輸，防止石油在管道壁的粘附，減少石油運(yùn)輸過程中的損耗。超疏表面之所以具有防腐蝕、減阻、自清潔等優(yōu)秀的性質(zhì)，主要是因?yàn)槌璞砻婢哂写植诘奈⒓{結(jié)構(gòu)，這種粗糙結(jié)構(gòu)能捕獲空氣，使原來的固體表面變成了固氣復(fù)合表面。由于空氣的存在，使超疏表面具有一系列優(yōu)良的特性，但是超疏表面的不穩(wěn)定性是制約其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的致命因素。超疏表面會(huì)受到外界壓力、溫度、濕度等因素的干擾，如加大外界壓力時(shí)，外界液體會(huì)進(jìn)入其表面的粗糙結(jié)構(gòu)中，從而使其喪失超疏的能力；同樣超疏表面的防腐蝕能力也具有不穩(wěn)定性，隨著在海水中時(shí)間的增加，海水會(huì)慢慢溶解粗糙結(jié)構(gòu)中的空氣，進(jìn)而使其防腐蝕能力變?nèi)酢?/p>
為了克服超疏表面不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，近年來人們提出了在超疏表面注入潤滑油的方法制備超潤滑表面。這種表面采用潤滑油代替空氣，大大提高了其表面的穩(wěn)定性，而且該表面對任何與潤滑油不相溶的液體都會(huì)有抗?jié)櫇裥?。這種注入型潤滑表面同樣具備一系列優(yōu)良的表面特性，如自清潔、防腐蝕、減阻等特征，同時(shí)該表面還具有良好的自愈能力，當(dāng)表面的某一部分遭到外界破壞時(shí)，其他部分的潤滑油會(huì)自發(fā)的流向該部分，很快就會(huì)在其表面形成一層新的油膜，從而提高其表面的穩(wěn)定性。目前，注入型潤滑表面得到了人們的廣泛關(guān)注，由于其超高的穩(wěn)定性和優(yōu)秀的自愈能力，它比超疏表面更容易實(shí)現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
注入型潤滑表面的制備需要滿足三個(gè)條件：一是基底表面必須具備粗糙的結(jié)構(gòu)；二是基底和潤滑油之間的表面能要匹配；三是潤滑油和外界液體要不相溶。目前，人們已經(jīng)在一些金屬、玻璃基底表面制備出了注入型潤滑表面，但是仍然存在設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、不易大面積制備、環(huán)境污染等問題。因此研制一種使用的設(shè)備簡單、成本低、工藝條件溫和、無污染、易工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法具有十分重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種鋁基液體注入型減阻表面的制備方法，該表面不僅具有對水的抗?jié)櫇裥?，對其他不溶于潤滑油的液體比如酒精、菜籽油、工業(yè)白油等液體也具有抗?jié)櫇裥?，同時(shí)具備良好的減阻性能。
本發(fā)明將金屬鋁采用化學(xué)刻蝕的方法在含有氯化銅的鹽酸溶液中進(jìn)行刻蝕，得到微米結(jié)構(gòu)的粗糙表面，然后采用水熱合成的方法在其表面上進(jìn)行自組裝形成花瓣?duì)畹募{米級粗糙表面，從而得到微納復(fù)合的二元粗糙表面，接著經(jīng)過低表面能物質(zhì)的修飾作用得到超疏水表面，最后將潤滑油注入超疏水表面形成鋁基液體注入型減阻表面。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案如下：
一種鋁基液體注入型減阻表面的制備方法，該方法包含以下工藝步驟：
步驟一：采用含有氯化銅的鹽酸溶液作為腐蝕溶液，將鋁片浸泡入腐蝕溶液中3-6min，得到具有微米級結(jié)構(gòu)的鋁表面，然后將鋁片在200-350℃下高溫加熱10-30min；
步驟二：采用濃度為0.05-0.15M的六水硝酸鋅和六次甲基四氨的1：1混合溶液作為水熱合成溶液，將經(jīng)步驟一高溫加熱后的鋁片放置在95℃的恒溫水熱合成溶液中進(jìn)行3-6h的水熱合成，從而使鋁片表面制備出具有花瓣?duì)畹奈⒓{雙重粗糙結(jié)構(gòu)；
步驟三：將經(jīng)步驟二制備得到的表面具有花瓣?duì)畹奈⒓{雙重粗糙結(jié)構(gòu)的鋁片采用低表面能材料修飾后烘干，即得到鋁片的鋁基超疏水表面；
步驟四：將潤滑油注入步驟三加工得到的所述的鋁基超疏水表面，待潤滑油在鋁基超疏水表面完全平鋪開之后即得到具有抗?jié)櫇裥缘匿X基液體注入型減阻表面。
采用步驟一對鋁表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕處理得到凹凸交錯(cuò)的臺(tái)階狀粗糙表面，臺(tái)階的高度為2-5μm；采用步驟二可以在微米級粗糙表面上生長鋅鋁氧化物薄膜，其呈現(xiàn)出花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，花瓣的厚度為50-100nm，其中薄膜的厚度、花瓣的厚度均與水熱合成時(shí)溶液的濃度以及水熱合成的時(shí)間有關(guān)。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：
（1）制備方法簡單，工藝條件溫和，不需要昂貴的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)大面積制備；
（2）制備的鋁基液體注入型減阻表面可以適用于任何幾何形狀，對多種液體具有穩(wěn)定的抗?jié)櫇裥?，并且其滑?dòng)角一般小于3°，使鋁表面具有良好的自清潔和減阻性能；
（3）穩(wěn)定性極好，潤滑油的存在可以避免高溫高壓對其抗?jié)櫇裥詭淼挠绊懀?/p>
（4）提高鋁表面對海水的抗腐蝕能力的同時(shí)，也提高了鋁表面對酸堿的抗腐蝕能力；（5）制備過程中無需強(qiáng)酸強(qiáng)堿，提高了生產(chǎn)安全性，有利于工業(yè)生產(chǎn)中對環(huán)境的保護(hù)。
本發(fā)明制備的鋁基注入型減阻潤滑表面對多種液體具有穩(wěn)定的抗?jié)櫇裥裕谠S多方面具有良好的用途：（1）本發(fā)明制備的鋁基注入型減阻表面，對水、酒精、菜籽油等多種液體具有穩(wěn)定的抗?jié)櫇裥裕捎糜诮饘俦砻娴姆牢廴竞妥郧鍧?；?）本發(fā)明制備的鋁基注入型減阻表面，可用于海上運(yùn)輸或潛艇上，可以減小水的阻力，提高航行速度，同時(shí)具有良好的抗海水腐蝕能力；（3）本發(fā)明制備的鋁基注入型減阻表面，對水流、酒精、15號工業(yè)白油等液體具有良好的減阻效果。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限如此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
具體實(shí)施方式一：一種鋁基液體注入型減阻表面的制備方法，該方法包含以下工藝步驟：
步驟一：采用含有氯化銅的鹽酸溶液作為腐蝕溶液，將鋁片浸泡入腐蝕溶液中3-6min，得到具有微米級結(jié)構(gòu)的鋁表面，然后將鋁片在200-350℃下高溫加熱10-30min；
步驟二：采用濃度為0.05-0.15M的六水硝酸鋅（Zn(NO3)2·6H2O）和六次甲基四氨的1:1混合溶液作為水熱合成溶液，將經(jīng)步驟一高溫加熱后的鋁片放置在95℃的恒溫水熱合成溶液中進(jìn)行3-6h的水熱合成，從而使鋁片表面制備出具有花瓣?duì)畹奈⒓{雙重粗糙結(jié)構(gòu)（此時(shí)鋁片表面具有超親水的性質(zhì)）；
步驟三：將經(jīng)步驟二制備得到的表面具有花瓣?duì)畹奈⒓{雙重粗糙結(jié)構(gòu)的鋁片采用低表面能材料修飾后烘干，即得到鋁片的鋁基超疏水表面；
步驟四：將潤滑油注入步驟三加工得到的所述的鋁基超疏水表面，待潤滑油在鋁基超疏水表面完全平鋪開之后即得到（對水、酒精、菜籽油、工業(yè)白油）具有抗?jié)櫇裥缘匿X基液體注入型減阻表面。
具體實(shí)施方式二：具體實(shí)施方式一所述的鋁基液體注入型減阻表面的制備方法，步驟三中，所述的低表面能材料為氟硅烷、長鏈脂肪酸或聚四氟乙烯材料。
具體實(shí)施方式三：具體實(shí)施方式一所述的鋁基液體注入型減阻表面的制備方法，步驟一中，所述的含有氯化銅的鹽酸溶液中的氯化銅的濃度為0.1-0.3M，鹽酸的濃度為0.5-2M，其中二者的濃度比為1:5。
具體實(shí)施方式四：具體實(shí)施方式一所述的鋁基液體注入型減阻表面的制備方法，步驟四中，所述的潤滑油具有與水、酒精、菜籽油或工業(yè)白油不相溶的特性。
實(shí)施例1
將鋁箔裁剪成3cm×2cm的矩形樣片，用800目的砂紙對其進(jìn)行均勻打磨，接著用2000目砂紙繼續(xù)打磨直至表面光滑；然后將樣片放入丙酮和乙醇溶液中各超聲波清洗10min，去除樣片表面的油脂等污垢，接著用去離子水超聲波清洗10min；配制含有氯化銅的鹽酸溶液作為腐蝕液，將0.2M的氯化銅溶解于1L的稀鹽酸中，其中稀鹽酸的濃度為1M，將清洗干凈的樣片浸入腐蝕液中，4min后取出，將其表面附著的銅用去離子水清洗干凈，再將其在350℃下高溫加熱20nim，在樣品表面生長氫鍵；接著將樣片垂直插入盛有50ml的0.05M 的六水硝酸鋅溶液的密封瓶中，恒溫水浴加熱至95℃，同時(shí)將50ml的0.05M的六次甲基四胺溶液水浴加熱到95℃后與六水硝酸鋅溶液快速混合，在密封瓶中恒溫加熱6h，然后將樣片取出，用去離子水清洗其表面沉淀的氧化鋅顆粒；接著將樣片放在預(yù)先配置好的1H，1H,2H，2H-全氟葵基三甲氧基硅烷的乙醇溶液(0.5-1wt%)里浸泡30分鐘，然后在120℃熱處理1h。此時(shí)得到了超疏水表面，其對水的接觸角大于150℃，且水滴在其表面極易滾動(dòng)；最后在超疏水表面進(jìn)行潤滑油的注入，待潤滑油在其表面完全平鋪開之后即可得到潤滑的減阻表面，其對水、酒精、菜籽油等多種液體具有穩(wěn)定的抗?jié)櫇裥裕鋵λ慕佑|角為100-110°，滑動(dòng)角小于3°。一般，隨著外界液體（如菜籽油、酒精、工業(yè)白油）表面能的減小，其接觸角會(huì)變小，滑動(dòng)角會(huì)增大。同時(shí)對該表面進(jìn)行了減阻測試，當(dāng)流速小于4m/s時(shí)，對水的減阻率在20%-30%之間，對15號工業(yè)白油的減阻率在10-20%之間，對酒精的減阻率在5%左右。測試結(jié)果說明該鋁基液體注入型減阻表面對水、酒精、工業(yè)白油等液體具有良好的減阻效果。
實(shí)施例2
將鋁箔裁剪成3cm×2cm的矩形樣片，用800目的砂紙對其進(jìn)行均勻打磨，接著用2000目砂紙繼續(xù)打磨直至表面光滑；然后將樣片放入丙酮和乙醇溶液中各超聲波清洗10min，去除樣片表面的油脂等污垢，接著用去離子水超聲波清洗10min；配制氯化銅的鹽酸溶液作為腐蝕液，將0.2M的氯化銅溶解于1L的稀鹽酸中，其中稀鹽酸的濃度為1M，將清洗干凈的樣片浸入腐蝕液中5min后取出，將其表面附著的銅用去離子水清洗干凈，再將其在250℃下高溫加熱20min，在樣品表面生長氫鍵；接著將樣片垂直插入盛有50ml的0.15M 的六水硝酸鋅溶液的密封瓶中，恒溫水浴加熱至95℃，同時(shí)將50ml的0.15M的六次甲基四胺溶液水浴加熱到95℃后與六水硝酸鋅溶液快速混合，在密封瓶中恒溫加熱3h，然后將樣片取出，用去離子水清洗其表面沉淀的氧化鋅顆粒；接著將樣片放在預(yù)先配置好的1H，1H,2H，2H-全氟葵基三甲氧基硅烷的乙醇溶液(0.5-1wt%)里浸泡30min，然后在120℃熱處理1h。此時(shí)得到了超疏水表面，其對水的接觸角大于150℃，且水滴在其表面極易滾動(dòng)；最后在超疏水表面進(jìn)行潤滑油的注入，其中潤滑油可以是GPL、PEL等，待潤滑油在其表面完全平鋪開之后即可得到潤滑表面，其對水、酒精、菜籽油等多種液體具有穩(wěn)定的抗?jié)櫇裥?，其對水的接觸角為100-110°，滑動(dòng)角小于3°。同樣對該表面進(jìn)行了減阻測試，測試結(jié)果與實(shí)例1中的測試結(jié)果相似，說明該表鋁基液體注入型減阻面對水、酒精、工業(yè)白油等液體具有良好的減阻效果。