專利名稱：一種鋁箔仿生納米結構超疏水抗結露功能表面的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋁箔仿生納米結構超疏水抗結露功能表面的處理方法。
背景技術：
鋁箔具有質輕、易加工、導熱性能好、價格便宜等優(yōu)點，是空調換熱器(包括蒸發(fā)器和冷凝器)的主要材料。對于沒有表面處理的光箔，制冷時，當表面溫度低于環(huán)境空氣的露點時，鋁箔結露現象隨之發(fā)生，從而引起水橋、白粉、異味等問題。這不但降低了機器的換熱性能和使用壽命，而且還增加了能耗，同時給室內環(huán)境也帶來污染，危害人體健康。此外，空氣制冷系統(tǒng)中的管道表面、冷輻射板表面、送風口表面、風道和水管表面等也都容易出現凝 Mo鋁箔表面親水處理是解決結露問題的常用手段，冷凝水在這種表面呈鋪展的膜狀，接觸角小于10°，可顯著減少換熱器的翅片間水橋的產生，提高換熱效率。但是，親水鋁箔仍存在如下局限性(1)親水涂層一般為純有機涂覆材料，厚度可達幾個微米厚，降低了原有鋁箔的導熱性；(2)親水箔表面水膜不易滑落，增加了涂層的熱阻；(3)親水箔表面能高，“濕”水膜的存在使得其易腐蝕，也易吸附污染物。自20世紀90年代以來，固體表面超疏水性(與水滴接觸角大于150°，滾動角小于10° )—直是國際研究的前沿和熱點之一，因為表面微細結構和低自由能賦予這種表面自清潔和耐腐蝕等優(yōu)良特性。但是，眾多研究表明，微米級的冷凝水滴可破壞超疏水表面微米結構捕獲空氣形成“空氣墊”，從而使其失去超疏水性。最近的一些試驗研究發(fā)現，聚四氟乙烯涂覆的碳納米管森林、超疏水氫氧化銅納米結構表面可形成球狀的微米級冷凝水滴， 且易脫落。同時，研究顯示，蚊子復眼由數百個密排六方的微米級半球狀小眼構成，這些小眼表面還覆蓋有無數非密排的柱狀納米凸起，這種特殊的構成使得蚊子眼具有防霧功能。 此夕卜，Nakae 等[Nakae, H. ； Inui, R. ； Hirata, Y. ； Saito, H. Acta Mater. 1998， 46， 2313]通過改進的Cassie非潤濕模型，從理論上研究了二維密排微米球陣列的潤濕性，認為陣列微米球的尺寸對接觸角有很大影響。對于亞微米級結構，尺寸越小，該結構表面的接觸角越大。由此可見，具有一定粗糙度的密排堆積納米顆粒結構可獲得超疏水表面，并且能使得微米級水滴仍然保持球狀，從而顯示抗結露特性。同時，這種表面還將具有超疏水表面的自清潔和耐腐蝕等特性。經過多年的發(fā)展，目前已有多種鋁及鋁合金超疏水表面的制備方法，但由于鋁箔很薄，在其表面構建超疏水性的方法并不多見，只有Xu等[Xu，Q. F. ； Wang, J. N. New J. Chem. 2009, 33，734]報道的溶膠-凝膠法、Liu 等[Liu, L. J. ； Zhao, J. S. ； Zhang, Y. ； Zhao, F·; Zhang, Y. B. J Colloid Interf. Sci.，2011, 358，27ZJ 提出的勃姆石薄膜法以及 Wu 等[Wu, W. C. ； Wang, X. L. ； Wang, D. Α. ； Chen, Μ. ； Zhou, F. ； Liu, W. Μ. ； Xue, Q. J Chem. Commun. 2009，1043]的生長納米線法。對于在鋁箔表面構建密排堆積的納米球結構，則未見任何報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種能夠形成密排堆積的納米球結構、對鋁箔的損傷小且表面粗糙度小的鋁箔仿生納米結構超疏水抗結露功能表面的處理方法。本發(fā)明采用如下技術方案
一種鋁箔仿生納米結構超疏水抗結露功能表面的處理方法，包括如下處理步驟
(1)前處理將鋁箔經丙酮、去離子水超聲清洗，吹干后浸入lmol/L的NaOH水溶液中處理30-60s，然后依次用乙醇、去離子水清洗，吹干后備用；所述鋁箔厚度小于0. 1mm，鋁元素含量為99. 5% ；
(2)陽極氧化處理以磷酸和丙三醇的混合水溶液為電解液，以鎳片為陰極，以鋁箔為陽極，兩極平行正對放置，面積比為1:1，間距20mm，在室溫及恒電流模式下進行陽極氧化， 所述電流密度為3. 2-4. 8mA/cm2，氧化時間120-150min。陽極氧化結束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的濃度為 127-255g/L，丙三醇的濃度為50-150g/L ；
(3)化學改性將水溶液處理后的鋁箔在70°C的液態(tài)硬脂酸中浸泡lh，然后在70°C的熱乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80°C下固化30 min,即可制備出具有仿生納米結構超疏水抗結露功能的鋁箔。采用本發(fā)明的方法制備的具有仿生納米結構超疏水抗結露鋁箔表面，具有以下特占.
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(1)混合水溶液對鋁箔的損傷小。本發(fā)明采用的混合水溶液中磷酸的濃度較低，且加入的丙三醇可進一步降低溶液的腐蝕性，減慢對鋁箔的刻蝕速度和刻蝕深度，防止了鋁箔在處理過程中的局部穿透，且使得工藝過程容易控制，可對較薄鋁箔進行處理。(2)丙三醇的加入對形成密排堆積的納米球結構至關重要。丙三醇具有一定粘度， 加入電解液中后，在鋁箔表面形成緩釋層，可避免氧化過程中的濃度和PH值變化，影響氧化膜層的均勻性和附著力。同時，丙三醇緩釋層還可降低鋁箔表面電解液濃度，減少形成的膜層的溶解，從而獲得密排堆積的納米球結構，如圖1所示的采用實例1的制備方法獲得鋁箔表面掃描電鏡照片。(3)處理后鋁箔表面粗糙度小，表觀質量佳。例如，采用實例1的方法處理后，鋁箔表面的均方根粗糙度為81. 5nm，納米球直徑為100士20nm，膜厚300nm，表面相應的原子力顯微鏡三維照片如圖2所示，圖3為顯示膜厚的掃描電鏡照片，處理前后鋁箔表面數碼照片如圖4和圖5所示，處理后的鋁箔表面十分光潔，仍具有金屬光澤。同時，由于粗糙度較小， 表面的耐磨性得到提高。(4)制備的鋁箔超疏水表面靜態(tài)水滴接觸角大于150°，且對水滴的黏附性很弱， 水滴易脫落。例如，采用實例1的方案處理的鋁箔表面的接觸角為165° 士2°，且對水滴的黏附性很小，水滴易脫落，見圖6和圖7所示。(5)同未經處理的鋁箔相比，處理后的具有仿生納米結構的超疏水鋁箔表面可有效延緩冷凝水滴的形成，且形成的微米級凝露呈球狀，易滾落，如圖8所示。因此，制備的超疏水鋁箔具有良好的抗結露特性。本發(fā)明制備的具有仿生納米結構的超疏水抗結露鋁箔，可用于空調換熱器翅片，
4且制備工藝簡單、無污染、基底損傷小、表觀質量佳，適合推廣應用。


圖1為實例1中鋁箔仿生納米結構超疏水表面的掃描電鏡圖； 圖2為實例1中處理后的鋁箔表面原子力顯微鏡三維圖片； 圖3為采用實例1工藝處理后的鋁箔表面膜層的掃描電鏡圖； 圖4為實例1中處理前鋁箔的數碼照片； 圖5為實例1中處理后鋁箔的數碼照片； 圖6為采用實例1工藝處理后的鋁箔表面水滴形態(tài)； 圖7為采用實例1工藝處理后的鋁箔表面水滴黏附性測試；
圖8為實例1制備的超疏水鋁箔表面(左側)和未經處理表面(右側)的抗結露測試體式顯微圖片(室溫27 °C，相對濕度34%，表面溫度_4°C，冷凝5min后)。
具體實施例方式實例1
(1)將0. 04mm厚鋁箔(30mm*30mm，鋁元素含量為99. 5%)依次用丙酮、去離子水超聲清洗并吹干，隨后浸入lmol/L的NaOH水溶液中處理，時間約30_60s，在本實例中，處理時間為 40s，以去除鋁箔表面氧化膜。(2)以磷酸和丙三醇的混合水溶液為電解液，以鎳片為陰極，以鋁箔為陽極，兩極平行正對放置，面積比為1 1，間距20mm，在室溫及恒電流模式下進行陽極氧化，所述電流密度為3. 2mA/cm2，氧化時間120min。陽極氧化結束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的濃度為255g/L，丙三醇的濃度為 150g/L ；
(3)將水溶液處理后的鋁箔在70°C的液態(tài)硬脂酸中浸泡lh，然后在70°C的熱乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80°C下固化30 min,即可制備出具有仿生納米結構超疏水抗結露功能的鋁箔。通過上述方法制備的具有仿生納米結構的鋁箔表面微觀形貌如圖1所示，表面被密排堆積的納米球所覆蓋，納米球的直徑為100士20nm。圖2給出了處理后鋁箔表面的原子力顯微鏡三維圖片，經NanoScope Analysis軟件分析，該表面的均方根粗糙度為81. 5nm, 納米球的堆積厚度為300nm，如圖3所示。鋁箔處理前后顏色差異較小，處理后的鋁箔表面更顯光潔，且仍具有金屬光澤，如圖4和圖5所示。圖6顯示水滴在這種表面的形態(tài)，經標定，接觸角為165°，呈現超疏水性。圖7為超疏水鋁箔表面的水滴黏附性測試，箭頭方向表示用注射針頭提拉水滴的運動方向。在這種表面，水滴可以輕易滑動，表明黏附性很小。通過結露特性試驗(圖8)，在環(huán)境溫度27°C、相對濕度34%、冷表面溫度_4°C條件下，具有仿生納米結構的超疏水表面(左側)可顯著抑制結露的發(fā)生，且形成的微米級凝露呈球狀，易脫落，而未經處理的鋁箔表面(右側)的結露較為嚴重。實例2
(1)將0. 04mm厚鋁箔(30mm*30mm，鋁元素含量為99. 5%)依次用丙酮、去離子水超聲清洗并吹干，隨后浸入lmol/L的NaOH水溶液中處理，時間約30_60s，在本實例中，處理時間為60s，以去除鋁箔表面氧化膜。(2)以磷酸和丙三醇的混合水溶液為電解液，以鎳片為陰極，以鋁箔為陽極，兩極平行正對放置，面積比為1 1，間距20mm，在室溫及恒電流模式下進行陽極氧化，所述電流密度為4.8mA/cm2，氧化時間150min。陽極氧化結束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的濃度為127g/L，丙三醇的濃度為 110g/L ；
(3)將水溶液處理后的鋁箔在70°C的液態(tài)硬脂酸中浸泡lh，然后在70°C的熱乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80°C下固化30 min0制備的具有仿生納米結構的鋁箔表面水滴接觸角為167°，黏附性很小，且抗結露性能優(yōu)異。實例3
(1)將0. 04mm厚鋁箔(30mm*30mm，鋁元素含量為99. 5%)依次用丙酮、去離子水超聲清洗并吹干，隨后浸入lmol/L的NaOH水溶液中處理，時間約30_60s，在本實例中，處理時間為 30s，以去除鋁箔表面氧化膜。(2)以磷酸和丙三醇的混合水溶液為電解液，以鎳片為陰極，以鋁箔為陽極，兩極平行正對放置，面積比為1 1，間距20mm，在室溫及恒電流模式下進行陽極氧化，所述電流密度為4.2mA/cm2，氧化時間130min。陽極氧化結束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的濃度為135g/L，丙三醇的濃度為50g/L ；
(3)將水溶液處理后的鋁箔在70°C的液態(tài)硬脂酸中浸泡lh，然后在70°C的熱乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80°C下固化30 min0制備的具有仿生納米結構的鋁箔表面水滴接觸角為164°，黏附性很小，且抗結露性能優(yōu)異。
權利要求
1.一種鋁箔仿生納米結構超疏水抗結露功能表面的處理方法，其特征在于所述方法包括下列步驟(1)前處理將鋁箔經丙酮、去離子水超聲清洗，吹干后浸入lmol/L的NaOH水溶液中處理30-60s，然后依次用乙醇、去離子水清洗，吹干后備用；所述鋁箔厚度小于0. 1mm，鋁元素含量為99. 5% ；(2)陽極氧化處理以磷酸和丙三醇的混合水溶液為電解液，以鎳片為陰極，以鋁箔為陽極，兩極平行正對放置，面積比為1:1，間距20mm，在室溫及恒電流模式下進行陽極氧化， 所述電流密度為3. 2-4. 8mA/cm2，氧化時間120_150min。
2.陽極氧化結束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，所述的磷酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中磷酸的濃度為127-255g/L，丙三醇的濃度為50-150g/L ；(3)化學改性將水溶液處理后的鋁箔在70°C的液態(tài)硬脂酸中浸泡lh，然后在70°C的熱乙醇中涮洗，最后在烘箱中于80°C下固化30 min,即可制備出具有仿生納米結構超疏水抗結露功能的鋁箔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁箔仿生納米結構超疏水抗結露功能表面的處理方法。該方法首先將鋁箔經丙酮、去離子水超聲清洗，吹干后浸入1mol/L的NaOH水溶液中處理30-60s，然后依次用乙醇、去離子水清洗，吹干后備用。將前處理后的鋁箔浸入以磷酸和丙三醇混合水溶液為電解液的液體中，室溫條件下，恒電流密度模式陽極氧化120-150min。結束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干。將陽極氧化后的鋁箔在70℃的液態(tài)硬脂酸中浸泡1h，然后在70℃的熱乙醇中涮洗，最后在80℃烘箱中固化30min，即可制備出鋁箔仿生納米結構超疏水抗結露功能表面。本發(fā)明制備工藝簡單、無污染、基底損傷小、表觀質量佳，適合推廣應用。
文檔編號C25D11/08GK102345149SQ20111027360
公開日2012年2月8日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權日2011年9月16日
發(fā)明者余新泉, 吳昊, 張友法, 陳鋒 申請人:東南大學