铝合金表面氟硅烷改性纳米二氧化硅超疏水耐蚀涂层的制备和表征

编号：NMJS09450

篇名：铝合金表面氟硅烷改性纳米二氧化硅超疏水耐蚀涂层的制备和表征

作者：刘恒阳 张蕾 史洪微 宋影伟 韩恩厚

关键词： 氟硅烷改性 二氧化硅 超疏水 微纳结构 稳定性

机构： 中国科学院金属研究所中国科学院核用材料与安全评价重点实验室 中国科学技术大学材料科学与工程学院 北京航空工程技术研究中心 沈阳工业大学材料科学与工程学院 广东腐蚀科学与技术创新研究院

摘要： 由于铝合金的腐蚀电位相对较低，在潮湿环境中容易受到电化学腐蚀的影响。为了提高铝合金的耐腐蚀性，有机涂层是保护铝合金较为经济有效的方法之一。然而，传统涂层功能单一，难以满足复杂环境下的使用需求。目前，在铝合金表面制备超疏水薄膜被认为是一种新型的环保技术。 通过简单喷涂，利用羟基丙烯酸树脂 1198、固化剂 N75（脂肪族多异氰酸酯，即六亚甲基二异氰酸酯缩二脲）、1H,1H,2H,2H - 全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTES）和二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒在铝合金表面制备了一种耐用的超疏水涂层。首先，制备了低表面能的二氧化硅纳米颗粒（SiO₂-PFOTES），用于构建超疏水涂层的微纳结构。使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析了改性前后 SiO₂和涂层表面的形貌。利用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）在 4000-450 cm⁻¹ 范围内测试了改性前后 SiO₂的化学成分。通过 X 射线衍射仪对二氧化硅的结构进行了表征。 实验结果表明，含双键的硅烷偶联剂在 H⁺作用下水解为硅醇单体，硅醇单体表面的硅羟基与二氧化硅纳米颗粒表面的硅羟基脱水缩合形成 Si—O—Si 键，并接枝在二氧化硅纳米颗粒表面。然后，将 SiO₂-PFOTES 分散后加入到 1198 树脂中，再加入 N75 固化剂，在铝合金表面得到超疏水涂层。通过接触角测量仪测量了材料的表面润湿性。同时，对 SiO₂-PFOTES/PU 涂层进行了紫外线老化和盐雾试验。 实验结果表明，当 SiO₂-PFOTES 与 PU 的比例为 1∶4 时，超疏水涂层的水接触角为 154°，滑动角小于 5°。SiO₂-PFOTES 的微纳结构层可在复合涂层表面形成明显的乳突状微纳结构，使涂层具备超疏水性能。此外，该涂层能有效排斥牛奶、菜籽油、染料等复杂混合物或有机液体。经过 20 天的紫外线老化和盐雾试验后，涂层仍具有优异的稳定性和超疏水性。与盐雾试验相比，涂层在紫外线老化后性能下降较少。在紫外线老化过程中，紫外线能量足够大，能够破坏树脂中的化学键，导致老化。紫外线辐射产生的初级氧化产物不稳定，反应进一步加速了树脂的老化。然而，足够量的 SiO₂-PFOTES 的加入在树脂表面构建了粗糙表面，形成了保护层，延缓了树脂在紫外线辐射下的老化。 以 PFOTES 为改性剂、SiO₂纳米颗粒为填料，成功地在铝合金表面制备了一种稳定的防腐超疏水复合涂层。这为超疏水涂层的设计和制备提供了新思路。