酸碱浸蚀铝制印版表面润湿性机理研究

肖晨光，杨奇彪， 陶　然， 陈　列， 娄德元， 翟中生， Peter Bennett， 刘　顿

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)



酸碱浸蚀铝制印版表面润湿性机理研究

肖晨光，杨奇彪， 陶然， 陈列， 娄德元， 翟中生， Peter Bennett， 刘顿

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

针对胶印技术在印刷过程中铝制印版需进行浸润性控制的问题，采用酸碱溶液对铝制印版表面进行浸蚀，对浸蚀前后铝制印版的粗糙度、接触角及滚动角进行测量，并研究其表面润湿性的形成机理。结果表明：浸蚀后的铝制印版表面粗糙度会明显升高，酸碱溶液浸蚀可以增大铝制印版表面的接触角，降低铝制印版表面的滚动角。在铝制印版的表面会形成许多形如“山峰”状的凸起和凹坑，当水滴落在铝制印版表面会将一部分空气密封在凹坑内，这些空气会阻止水渗透到铝板表面。此结论与Cassie理论相吻合，可用于制备铝制印版的超疏水表面。

润湿性； 铝制印版； 表面粗糙度； 接触角

润湿是固体表面流体被其他流体代替的过程，是固体表面的一个重要特征。研究如何改变液滴与介质表面的润湿特性具有重大应用价值，如电润湿技术[1]。自然界很多动植物表现出润湿性特征，如：荷叶表面、黄斑大蚊的翅表面、水黾的腿等[2-4]。这些表面可使水变成珠状滚落，具有自清洁、耐浸蚀的特性，被称为“荷叶效应”。研究表明：荷叶效应是因为其表面的双重复合微结构和化学成分引起的，学者们仿照类似结构制备了各种不同的超疏水表面[5]。传统的超疏水表面制备方法分为两步：先采用化学浸蚀法[6]、溶胶凝胶法[7-8]、化学气相沉积法[9-10]等对表面粗糙化，然后再用脂肪酸、氟代烷基硅氧烷聚合物等化学试剂对表面进行处理[11]。由于上述方法制备周期长、化学试剂昂贵，本文采用普通化学试剂对铝制印版(以下简称铝板)表面进行浸蚀，并研究酸碱溶液浸蚀下的铝板表面润湿性产生机理。该方法可用于胶印技术在印刷过程中的铝制印版浸润性控制及超疏水表面制备。

1　实验步骤

1.1抛光并清洗

实验所用铝板由德国Hydro Aluminium Rolled Products Gmbh公司提供(纯度为99.9%)，将8块6 cm×12 cm×0.5 cm的铝板经600粒度的砂纸进行粗抛、M-1型金相试样预磨机精磨、P-1型金相试样抛光机抛光(抛光后的试样粗糙度达0.5以下)、在丙酮中浸没经JP-080B超声波清洗机清洗10 min，然后在去离子水中浸没，经JP-080B超声波清洗机清洗10 min，取出后放在DHG—9023A电热恒温鼓风干燥箱干燥。

1.2碱浸蚀

将8块样品标记为1～8。为了研究NaOH溶液不同反应时间下铝板的变化情况，所有样品放在体积分数为0.7%的NaOH溶液中浸蚀30 s。为了保证浸蚀均匀，全过程用78-1型磁力加热搅拌器进行搅拌。

1.3酸浸蚀

将样品用体积分数为12%的HCl溶液浸蚀260 s。为了保证浸蚀均匀，全过程用78-1型磁力加热搅拌器进行搅拌，本过程最高温度为65℃。然后将198 mL酒精和2 mL体积分数为1%的十四酸混合溶液浸泡10 min。

2　实验结果与分析

2.1接触角及滚动角测量

在Drop-meter接触角测量仪(图1)上对上述浸蚀前后样品的接触角及滚动角进行测量，测量时用3 μL水滴，温度为21℃，湿度为35%。为了保证测量的准确性，每件样品接触角及滚动角均测量3次，取平均值，测得的接触角及滚动角平均值如图2所示(未浸蚀前的接触角一般在80°～90°间，滚动角无法测出)。

图 1　Drop-meter接触角测量仪

图 2　酸碱溶液浸蚀下的铝板接触角及滚动角变化情况

2.2表面粗糙度测量

在德国Bruker公司生产的Contour GT-K0表面轮廓仪上，对上述浸蚀前后样品的表面粗糙度进行测量。为了保证测量的准确性，每件样品表面粗糙度均测量3次，取平均值，测得的表面粗糙度值如表1所示(浸蚀前样品的表面粗糙度平均值为0.855 μm)，浸蚀后样品的三维形貌如图3所示。

表1　浸蚀后样品的表面粗糙度

图 3　浸蚀后铝板的三维表面形貌

由表1可知，酸碱复合环境对铝板表面的处理使铝板表面的粗糙度明显增大，图3样品浸蚀后可以看出浸蚀后的表面产生了很多尖锐凸起的“山峰”。Cassie理论将图3中的山峰假设为凹槽结构。由于凹槽内截留有空气，当水滴滴入凹槽内时无法渗透进凹槽内，导致空气滞留在凹槽的上表面(图4)[12]。水在粗糙固体表面的接触角θc和本征接触角θs和θv(液体在光滑固体表面的平衡接触角称材料的本征接触角)之间满足：

cosθc=fscosθs+fvcosθv

(1)

式中:θs为液体在光滑固体表面的本征接触角，θv为液体与空气的接触角)；fs和fv分别是复合表面固体、复合表面气体所占比例(fs+fv=1)，通常认为θv=180°，因此式(1)可变为：

(2)

由于fs总小于1，在Cassie理论下fs越小，接触角θc越大。极限情况下当fs趋近于0时接触角达180°，即此时固体表面变成超疏水状态。对于接触角大于90°的疏水表面，表面粗糙提高可以使表面接触角变大；对于接触角小于90°的亲水表面，由于空气的存在，表面接触角仍然会随着粗糙度增加而增大。浸蚀后的铝板产生的粗糙表面有利于形成密闭的空间储存空气。由图2可以看出，通过酸碱浸蚀后的铝板接触角达到140°以上，滚动角在20°左右，属于疏水结构甚至是超疏水结构[13]。

图 4　Cassie理论下的水滴在粗糙固体表面的接触模式

3　结论

本文先后运用NaOH溶液和十四酸混合溶液对铝板进行浸蚀，通过对铝板表面接触角、滚动角和表面粗糙度进行测量，基于Cassie理论分析了酸碱溶液浸蚀下的铝板表面浸润性机理，得出结论如下：

1)通过酸碱溶液浸蚀后的铝板接触角达到140°到160°，滚动角在20°左右，酸碱溶液浸蚀可以增大铝板的接触角，降低铝板的滚动角；

2)酸碱溶液浸蚀对铝板表面的处理使铝板表面的粗糙度明显增大，该铝板表面属于疏水结构甚至是超疏水结构。

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[责任编校： 张众]

Research on the Wetting Mechanism of Printing Aluminum Plate Surface Etching Under Acid and Alkali Solution

XIAO Chenguang，YANG Qibiao，TAO Ran，CHEN Lie，LOU Deyuan，ZHAI Zhongsheng，Peter Bennett，LIU Dun

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan, 430068,China)

For the printing process of offset printing technology, the wettability of the aluminum plates and the preparation of the super hydrophobic surface need to be controlled. The surface of printing aluminum plate was corroded by acid and alkali solution. Then the surface roughness, contact angle and sliding angle of corroded samples were measured and the formation mechanism of surface wettability was studied. The results show that the surface roughness of the samples will be significantly increased. On the surface of the aluminum plate will form a lot of bulge which looks like "peaks”. When the water drops on the surface of the aluminum plate, it will part the air in the pit, and the air will prevent water from penetrating into the surface of the aluminum sheet. This conclusion is consistent with the Cassie theory, which can be used to prepare the super hydrophobic surface of the aluminum plate.

wettability；printing aluminum plate；surface roughness；contact angle

2016-04-22

国家自然科学基金(51405141、51575164)；湖北省自然科学基金(2014CFB596)；湖北省教育厅项目(Q20151404、T201405)

肖晨光(1991-)， 男， 湖北随州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为激光加工

刘顿(1980-)男，湖北十堰人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为激光加工

1003-4684(2016)04-0011-03

TS801.1

A