应用 | 新型铝合金表面疏水涂层研究

KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡，是表面科学仪器领域的全 球领导品牌。先后研发了世界上第 一台商用全自动表面张力仪和第 一台全自动接触角测量仪，荣获多次国际工业设计大奖和德国中小企业最 具创新能力TOP100荣誉。其它产 品还包括各类动态表面张力仪、泡沫分析仪、界面流变仪和墨滴形状分析仪等。

研究背景

铝合金是一种常见的工程材料，因其具有比强度较高、易于加工等优点，广泛应用于船舶、航空、建筑等领域。然而在潮湿环境中，铝合金表面易结冰和腐蚀，这限制了它的使用范围。超疏水表面是指与一定体积的水滴的接触角大于 150°，同时滚动角小于10°的表面。这类表面不仅具有多尺度微纳米粗糙结构，同时具有较低的表面能。这种特殊浸润性表面具有优异的防水、防结冰、抗污、减阻自清洁性能，在延长材料使用寿命以及拓展应用领域等方面具有巨大的潜力。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）为原料，通过提拉法在铝合金表面制备 SEBS/h-SiO2超疏水复合涂层。

实验方法

采用光学接触角测试仪（KRÜSS）测量涂层对水的静态接触角，水滴大小为 2 μL，选取 3 个不同位置测量，取其平均值。涂层对水的滚动角测量方法为：水滴大小为 10 μL，转动速度为 90 (°)/min，最 大转动角 30°，选取 3 个不同位置测量，取其平均值。

DSA100接触角测量仪

结果与讨论

h-SiO2 用量对表面润湿性能的影响

铝合金表面 h-SiO2 纳米颗粒的附着量会影响液滴与铝合金的实际接触状态，从而影响静态接触角（CA）与滚动角（SA）的大小。由图 1 可知，当无 h-SiO2 时，CA 为 119°，SA 大于 30°，随着 h-SiO2 的用量逐渐增大，CA 逐渐增大，SA 逐渐减小。当 h-SiO2 和 SEBS 质量比为 3∶1 时，CA 大于 160°，SA 小于 1°。这是因为 SEBS 在铝合金表面形成的高分子涂层具有良好的粘接性能，使得 h-SiO2 纳米颗粒进入到涂层中，并形成一定的粗糙结构，改变液滴接触状态，从而引起表面润湿性能的变化。由图2可以看出，涂层表面分布着许多大小约为10 μm 的微凸体，在单个微凸体之上堆砌了直径为 50 nm左右的二氧化硅颗粒。这种二元微纳米粗糙结构与二氧化硅上的疏水基团相结合，使得表面润湿性达到超疏水。

图 1h-SiO2 用量对涂层润湿性能的影响

图 2SEBS 和 SEBS/h-SiO2 涂层的微观形貌

SEBS/h-SiO2 复合涂层的稳定性

为验证 SEBS/h-SiO2 复合涂层的稳定性，在水中浸泡不同时间后，测试铝合金表面的 CA、SA，结果如图 3a、3b 所示。由图可知，CA 变化波动较小，在120 min 内，均能保持在 160°左右，但随着浸泡时间的增长，SA 逐渐变大，且变化趋势明显，可以预测2 h 后，超疏水表面将会失效。但是经过干燥后，SA 恢复初始水平。这是因为随着浸泡时间增长，更多的水分子进入复合涂层孔隙之中，使得液滴与铝合金表面接触面积增大，受到的结合力增大，从而不利于液滴滚动。经过干燥后，孔隙中水分子消失，液滴与铝合金表面接触状态发生改变，从而呈现超疏水性。复合涂层处理的铝合金放置在空气中 30 天后，其 CA 的变化见图 3c，液滴与表面的粘附状况见图 3d。结果显示，CA 基本无变化，表面的抗粘附性能表现良好。所以，SEBS/h-SiO2 复合涂层表现出优异的稳定性。

图 3.SEBS/h-SiO2 复合涂层稳定性测试

小结

在 AMS 4037 铝合金表面制备了 SEBS/h-SiO2 超疏水复合涂层。该涂层具有良好的稳定性与自清洁能力。当 SEBS 和 h-SiO2 质量比为 1∶3 时，得到了最 佳 CA=160.4°，SA 小于 1°，涂层表面形貌为不规则的凸起均匀覆盖的粗糙表面，同时 h-SiO2 表面具有疏水基团，满足表面超疏水性能要求条件。