精宏分析减阻无氟超疏水表面制备新方法

超疏水表面因其独特的微纳二元协同结构及憎 水特 性，在固液界面高效减阻领域具有广泛应 用． 现有的超疏减阻表面大多采用传统氟化物 分子层做表面修饰，但碳和氟之间的强极性键， 具有不易降解，对人体及生态具有潜在威胁、易水解 重复性差且价格昂贵的缺点． 本文提出一种可 实现固液界面减阻的无氟超疏水表面的制备新方 法，替代氟化物的改性使用，解决不环保、威胁人体及生态的问题． 将工业生产中应用最广泛的铝合金 做基底，符合规模化生产和可持续发展的需要．

1 超疏表面减阻机理

用于固液界面减阻的超疏表面制备主要有:
1) 在低表面能疏水材料表面形成微纳量级的粗糙结 构;
2) 在高表面能亲水固体表面制备微纳结构构成 超亲水表面，再进行表面改性修饰为超疏水表面．

1． 1 低表面能修饰对减阻的影响

液体浸润固体表面是常见的界面现象，常用接 触角来表征． 通常将水与固体表面静态接触角小于 90°的固体表面称为亲水表面，相反大于 90°的表面 称为疏水表面． 表面是否疏水取决于表面能大小，表 面能大小由表面化学组成决定． 根据热力学规律，高 表面能物质无法在低表面能物质表面铺展开． 普通 固体表面具有强残余化学键，表面自由能高，易被液 体润湿，所以降低固体固有表面能形成疏水表面，可 减小液体对表面的黏滞力．

1． 2 微纳结构对减阻的影响

平整的固体表面在低表面能的修饰下，水的接 触角最大为 120°，疏水但不超疏水． 自“荷叶效应” 起，人们的视角深入微观世界，微米及纳米量级结构 排列组合成二元协同结构可实现超疏水． 正如汪洋建立的微观结构固－液界面空泡减阻模型中， 探讨了气泡与固体表面接触角及密集度对固液界面 减阻特性影响，微结构越尖锐越有利于滑移减阻; 微 结构阵列密度越大，疏水表面与水的摩擦阻力越小． 在毛细效应的作用下，微纳结构间封存空气． 如图 1 所示，当液体与固体表面接触时，仅固体顶部与液体 接触，大大减小了固液接触比例． 所以，合适的微纳结构粗糙因子控制固液接触 比和表面修饰降低表面能是实现固液界面减阻的两大关键因素。

2 超疏表面制备方法及表征

不同于以往常规金属表面粗糙化处理目的及规 格，对于固液超疏界面减阻基底，粗糙量级需达到微 米及纳米级，组成上需微米、纳米复合排列二元协同 结构． 喷砂、抛丸等大型机械工艺制备的表面粗糙度 过大，而化学腐蚀液可通过点蚀、位错刻蚀形成所需 量级的粗糙表面． 由于快速制备的需求，在腐蚀液的 选择上，需要高浓度的强酸或强碱． 但浓硫酸、浓硝 酸会与铝发生钝化反应，强碱常用于表面抛光，遂选 择盐酸进行化学刻蚀． 排除铝合金基底形状限制因 素，Cl － 快速刻蚀并释放 Al 3 + ，优先腐蚀高能量区域 并延特定晶面发展形成具有一定规律的微纳结构． 制备上，首先将 5052 合金切割成 20． 0 mm* 30． 0 mm* 0． 5 mm 的长方形样品． 然后用 1 200#砂 纸打磨去除表面氧化层，依次用丙酮、乙醇、去离子 水超声震荡清洗，取出后在 60℃ 干燥箱（上海精宏试验设备有限公司提供）中烘干． 前 处理后，分别用3 M 盐酸进行不同时间的腐蚀，铸造 出微纳量级的粗糙表面，去离子水超声震荡冲洗，在 80℃干燥箱中烘干． 从腐蚀后的微观结构上，

3 超疏减阻测试

超疏表面稳定性一直是实际应用中考量的重要 因素，本文采用浸没计数法和连续水滴冲击的方式 进行测试． 首先将粗糙化处理结合松香涂层及 10% 炭黑质量分数修饰的样品充分浸入水中再取出 80 次以上，超疏表面的完整性并没有明显变化，静态接 触角和滚动角仍分别保持在 152°、2° ～ 8°范围之内， 初步说明表面具有一定的稳定性． 再通过水滴较长 时间连续冲击来进一步测试表面稳定性，其中将超 疏表面固定在倾斜角度为 45°的玻璃片上使水滴不 堆积，测试高度控制为 100 mm，水 滴 以 速 度 为1． 4 m /s冲击能量约为 13 μJ 左右冲击表面，每两滴 跌落之间的时间间隔为 0． 3 ～ 0． 5 s，冲击 3 h 后静 态接触角如图 6 所示由 155． 0°变化到 150． 5°，和之 前使用炭黑涂层的文献1相比，稳定性进一 步得到优化改善，充分说明本方法制作的超疏表面 在流动液体下长时间冲击下，仍具有良好的稳定性．

4 结 论

1) 采用快速化学腐蚀法结合天然松香、炭 黑改性修饰处理，得到一种无氟制备超疏水表面新 方法，实现铝合金材料由亲水到超亲水再到超疏水 的润湿性转换．
2) 新方法制备出静态接触角为 155． 0°，滚动角 仅为 1． 38°的低黏附性铝合金超疏水表面，经减阻 实验装置测试，减阻率达到 20% ～ 30% ，证明表面 不仅具有憎水特性，还具有良好的减阻特性，总结整 个制备过程，工艺简单、成本低廉、无氟环保，利于产 业化生产．