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科学新讯


第 5 卷- 2017 年 6 月刊
动态接触角对涂层应用预处理适用性的影响



图1:静态和动态接触角测量


图2:非理想表面浸润;a)Wenzel模型;b)Cassie-Baxter模型


图3:未处理AlMg3工件的位移Δs和接触角θ的示例结果


图4:经研磨AlMg3工件的位移Δs和接触角θ的示例结果


图5:双面研磨AlMg3工件的位移Δs和接触角θ的示例结果

简介

  需要表面涂层来保护工件的表面,免受外部环境影响。经过表面涂层的平板可以提高部件的使用寿命和耐久性,并改善工件耐腐蚀性和耐磨损性能。除了功能特征的变化外,还使用表面涂层来改变涂层工件的外观和触觉特性。

  施加涂层必须满足工件表面的某些要求,除了粗糙度、清洁度和表面活化,工件[1]表面和涂层之间的粘合强度还取决于工件的表面结构。通过机械连接的粘合机理基于以下假设:表面粘合取决于工件[2,3]涂层和表面之间接触面积的大小。另一方面,具体的结构可以使涂层在工件[4]上机械锚定。

动态接触角

  检查用于施加涂层表面适用性的一种方法是,研究被检表面上液体的动态接触角,特别是前进接触角θa,后退接触角θr和滚降角αr。与图1中平面上的标准接触角测量相比,动态接触角通过表面的前进接触角θa的润湿性和后退接触角θr的排斥性提供了关于润湿性的信息。此外,滚降角αr是对表面倾斜角的测量值,其中,作用液体失去其与表面的粘合并且下降。滚降角αr表示左、右三相点的角度,液体表面、固体表面和周围空气相交于相点,并至少移动一毫米。本研究中使用的测量仪器是KRÜSS GmbH(德国汉堡)的Drop Shape Analyzer DSA100,其可测量所提到的全部特征值。

  可用不同的模型描述表面的润湿性。YOUNG用液体[5]描述了完美平滑的浸润和均匀的化学表面。YOUNG模型用于确定固体工件的表面张力,而该张力不能直接确定。他所发现的方程将液体和固体的表面张力、液体和固体之间的界面张力以及已有接触角θ联系起来。因此,测量静态接触角θ可以提供有关所研究样品表面特性的信息,特别是其表面自由能或表面张力的信息。相比之下,实际表面确实具有不均匀性和特定的表面纹理。当液体应用于非理想固体表面时,浸润可以是均匀的、不均匀的或两者的混合形式。在均匀的浸润方案中,与理想表面相比,液体填充在表面的空腔和凹槽中,导致表面的完全润湿和表面积的增加,与液体相互作用。均匀浸润状态的模型是Wenzel模型,如图2a所示。相比之下,Cassie-Baxter模型描述了表面与液体的不均匀浸润。在这些情况下,液体不能抑制表面的槽和峰之间的气体。因此,与均匀浸润相比,非均匀浸润的有效表面较小。该特征例如用于实现“易于清洁的表面”,也称为荷花效应[6,7]。滴落在该表面上的液体不能渗透到表面结构中,导致低浸润度的表面以及液体和表面之间存在很少的相互作用点。低落的液体可轻易以较小的倾斜角度滚出表面。因此,与所有允许非均匀浸润的表面一样,这些表面的滚降角αr远远小于均匀浸润表面的滚降角。此外,均匀浸润是粘合剂涂层基本的先决条件。完全的浸润增加了涂层和基材之间的粘合表面,从而允许涂层在表面上的机械锚定。相比之下,由于非均匀浸润产生的空气夹杂物是涂层缺陷的主要原因,比如必须防止涂层的不均匀性和点蚀。因此,工件预处理表面上接触角αr的测量提供了涂覆之前预处理工艺适用性的证据。预处理工艺尝试通过Wenzel模型提高滚降角αr以获得更好的均匀浸润。

材料和方法

  本研究选择的材料是锻造铝合金AlMg3。与钢零件相比,铝合金提供了巨大的减重潜力,并且由于其可回收性,其可持续性也得以提高。工件已被预处理,以改变表面粗糙度并在表面上产生结构体。本研究使用了两种不同的表面处理方法。一种预处理工艺是单面研磨,其使用德国斯图加特co. Graessner KG公司的Wentzky 4R40Gr摩擦联轴器;另一种工艺是双面研磨,其使用瑞士皮特伦co. Stähli Läpp Technik AG公司的StähliDLM 505 HS的行星运动器。两种工艺均以可比较的方式增加了工件的粗糙度。预处理工艺之后,使用超声波浴和丙酮清洁工件,允许对工艺进行比较,而不会在工件表面上产生残留物或污染物的任何干扰。

结果

  以下部分介绍了预处理工艺对被测铝合金AlMg3表面的影响。

  图3示出了对未处理的、经清洁的工件动态接触角的测量。未处理表面上的水静态接触角θ(倾斜角αr = 0°的接触角θ)为θ = 47.1°。滚降角αr为αr = 26.8°.

  工件已被研磨和清理。研磨不影响水表面的静态接触角θ,图4中接触角θ = 47.5°。这导致所计算出的表面张力相同。然而,动态接触角的测量显示了前进角θa的显著差异,滚降角αr为αr = 40.8°。测量意味着研磨有利于均匀Wenzel模型的浸润。因此,该预处理适用于涂料应用。

  与研磨相比,双面研磨将滚降角αr降低到αr = 19.9°。此外,接触角θ增加到θ = 90.9°。通过双面研磨,AlMg3工件表面的疏水性增加。根据Cassie-Baxter模型,液体似乎不均匀地浸润表面。因此,双面研磨可能不适合作为涂层前的预处理工艺。

总结

  我们发现,表面处理工艺对表面的浸润性有影响。通过增加滚降角αr可研磨AlMg3工件的表面,实现均匀浸润的增加。相比之下,双面研磨增加了工件的疏水性,但不包括其作为AlMg3工件的预处理方法。

致谢

  本文以DFG UH 100/154-3项目所获得的结果为基础,得到了德国研究基金会(DFG)的大力支持。此外,作者还要感谢参与本研究项目的施瓦本格明德贵金属和金属化学研究所。

参考文献

[1] E. Uhlmann, E. M. Baira, M. Kretzschmar, Trockeneis statt Beizen, Journal für Oberflächentechnik (JOT), Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013.
[2] H. Narcus, Metallizing of plastics, Reinhold Publishing Corp., New York, 1960.
[3] R. Suchentrunk et al., Kunststoff-Metallisierung. Bad Saulgau: Eugen G. Leuze, 2007.
[4] W. Brockmanm, Haftung als Basis für Stoffverbunde und Verbundwerkstoffe. Deutsche Gesellschaft für Metallkunde e.V., Bremen, 1989.
[5] K. M. Smyth, Wetting Hysteresis and Droplet Roll Off Behavior on Superhydrophobic Surfaces, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA, 2010.
[6] Z. Cerman, Superhydrophobie und Selbstreinigung: Wirkungsweise, Effizienz und Grenzen bei der Abwehr von Mikroorganismen, Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Bonn, 2007.
[7] M. Miwa, et. al., Effects of the Surface Roughness on Sliding Angles of Water Droplets on Superhydrophobic Surfaces, Langmuir, 16, Washington, 2000.



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