铝合金表面耐蚀亲水膜的制备及性能

范 洋 洋， 李 盛 鹏， 张 晨， 杨 军 平， 侯 传 金， 刘 彦 军

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

铝及其合金作为空调的散热片在换热过程中易受空气中水汽的影响而产生腐蚀且降低换热效率，造成资源浪费和空气污染[1]。传统的处理方法主要是在铝合金板表面涂覆一层憎水树脂防止冷凝水附着，如涂覆氟化乙烯等树脂，但效果不佳，因此提高铝合金表面亲水性能技术的研发受到人们越来越多的重视[2]。目前，亲水铝合金板已经成为我国铝加工行业的重要品种，具有优良的防腐蚀性能和很大水滴铺展面积的亲水铝合金板开始被大量用作空调器的换热翅片[3]。亲水树脂的制备与应用可有效解决散热片的腐蚀及换热效率低等问题[4-5]，亲水树脂主要通过与铝合金板形成Al—OH共价键，进而在铝合金板表面形成一层致密的亲水膜，使其具有亲水性即水润湿性，而后空气中的冷凝水能够快速以薄的水膜形态流下[6]。但当前的亲水处理技术在亲水能力以及膜层的附着力方面还有待于进一步提高[7-8]。本研究制备的亲水树脂加入一定量的高分子聚合物可有效解决亲水性能不足和附着力不够的问题，并对亲水膜的亲水性、耐水性、耐腐蚀性及表面形貌进行了表征。

1 实 验

1.1 主要原料

水性树脂K500-35、聚乙烯醇、乙二醛、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、表面活性剂OEP-70，分析纯；去离子水，自制。

1.2 铝板表面亲水化处理

1.2.1 聚乙烯醇和聚丙烯酸钠溶液的制备

将3 g聚乙烯醇溶于97 g去离子水中，升温至80 ℃，不断搅拌直至聚乙烯醇完全溶解，配制质量分数为3%的聚乙烯醇溶液；将3 g聚丙烯酸钠溶于97 g去离子水中，升温至80 ℃，不断搅拌直至聚丙烯酸钠完全溶解，配制质量分数为3%的聚丙烯酸钠溶液。

1.2.2 亲水膜溶液的制备

将水性树脂K500-35溶于去离子水中，依次加入聚乙烯醇溶液、聚丙烯酸钠溶液、乙二醛、十二烷基苯磺酸钠和表面活性剂OEP-70，配制一定浓度的亲水膜溶液。

1.2.3 铝板表面的处理

采用2.5 mm×1.5 mm×0.3 mm AA6014型铝合金板为基材。将铝合金板用400目砂纸打磨一次，2 000目砂纸二次打磨，最后用5 000目砂纸打磨，用汉高清洗剂常温脱脂30 min，去离子水冲洗3次，于烘箱中100 ℃ 烘干。将洗净的铝合金板浸渍于树脂溶液中，5 min后取出，于烘箱中100 ℃烘干成膜。

1.3 红外光谱(FT-IR)表征

取一定量的亲水化树脂溶液在100 ℃条件下成膜。采用Spectrum Two傅里叶变换红外光谱仪对亲水膜的结构进行透射红外光谱表征。

1.4 亲水膜初始接触角测试

将洗净的铝合金板浸渍于树脂溶液中，5 min后取出，于烘箱中100 ℃烘干，在铝合金板上滴2 μL 去离子水，用接触角仪测定形成水滴的接触角，根据接触角的大小选出最佳的树脂溶液。

1.5 膜层厚度分析

采用分析天平称重法，分别测量预处理的铝合金板、涂覆亲水树脂后的样重，除以涂膜面积和密度即为膜层厚度(高分子膜的密度约为1)。

1.6 膜硬度、耐水性及附着力测试

按照GB/T 6739—1996《涂膜硬度 铅笔测定法》对铝合金板表面亲水膜硬度进行测试。按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》对铝合金板表面膜层进行附着力测试，并对亲水膜层与铝合金板基体之间的附着力进行评级。将涂覆亲水膜的铝合金板在去离子水中浸渍100 h，取出放入烘箱中于50 ℃干燥1 h，自然冷却至室温；进行质量测试，通过计算亲水膜的残留率，选出耐水性最佳的树脂溶液。

1.7 亲水膜表面形貌表征

采用日本JEOL公司的SM-6490LV型扫描电子显微镜分析涂覆亲水膜AA6014型铝合金板的表面形貌，加速电压为15 kV。

1.8 热重分析(TGA)

取一定量的树脂溶液在100 ℃下成膜。采用TG-STDA热重分析仪对亲水膜的结构进行分析。

1.9 电化学分析

通过电化学实验测试评价涂覆亲水膜铝合金板的抗腐蚀性能，使用CHI660D电化学工作站进行室温测试，测试采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为涂覆亲水膜的基板，腐蚀介质为质量分数3.5%的氯化钠水溶液，Tafel极化曲线的动电位扫描速度为0.001 V/s；EIS交流阻抗的测试频率范围为106～10-1Hz，测试暴露面积约为1 cm2，所得数据由VersaStudio、Oringin8等软件进行处理。

2 结果与讨论

2.1 亲水膜的红外光谱表征

图1 亲水膜红外光谱

2.2 原料配比对亲水膜性能的影响

调节原料组分中聚乙烯醇与聚丙烯酸钠的比例，制备5种不同的亲水树脂溶液，分别讨论聚乙烯醇与聚丙烯酸钠的质量比对亲水膜硬度、附着力、初始接触角、耐水性、耐腐蚀性能的影响。由表1可知，涂覆有3号树脂溶液的铝合金板的耐水性最强，说明聚乙烯醇与聚丙烯酸钠的质量过高或过低，会使膜的溶解量变大，导致膜层耐水性降低。通过对膜层与铝板间附着力的分析发现，3号、4号、5号样树脂溶液在铝合金板表面形成的亲水膜与铝板间附着力最强，说明聚乙烯醇与聚丙烯酸钠的质量比大于或等于1∶1时，亲水膜层与铝合金板间附着力较高，为0级。

表1 聚乙烯醇和聚丙烯酸钠的不同质量比对亲水膜性能的影响

Tab.1 Effect of different mass ratio of polyvinyl alcohol and polyacrylic acid sodium on the hydrophilic film

性能m(聚乙烯醇)∶m(聚丙烯酸钠)1∶51∶21∶12∶15∶11号2号3号4号5号接触角/(°)281851625残留率/%6075928278附着力1 级1 级0级0 级0 级硬度/H12321

3号样树脂溶液在铝合金板表面形成的亲水膜表面的硬度最高，达3 H，说明聚乙烯醇与聚丙烯酸钠的质量比过高或过低都会使膜硬度降低。

改变聚乙烯醇和聚丙烯酸钠的质量比，合成的树脂溶液涂覆在铝合金板表面的亲水能力不同，涂覆3号树脂溶液的铝合金板初始接触角最小为5°(瞬间铺展)。由此可知，制备的3号树脂溶液在铝金属表面形成亲水膜的亲水能力最强。

因此，聚乙烯醇与聚丙烯酸钠的质量比为1∶1 时，制备的树脂溶液在铝合金表面形成亲水膜的总体性能最好。

2.3 亲水膜的电化学性能

对涂覆5种亲水树脂溶液铝合金板的耐腐蚀性能进行分析，如图2、图3所示。由图2可知，1号样的半径最小，为2 000 Ω；3号样的半径最大，为6 500 Ω。聚丙烯酸钠质量越小，交流阻抗的半径越大，防腐性能越好，但聚丙烯酸钠质量低于聚乙烯醇质量时，成膜过程中相互交联度变低，导致防腐效果变差。因此3号样的防腐蚀性能最佳。

图2 原料的不同配比对交流阻抗的影响

图3 原料配比对极化曲线的影响

由Tafel曲线谱图可知，1号样的腐蚀电流最大，自腐蚀电位最低为-1.18 V；3号样的腐蚀电流最小，自腐蚀电位最高为-0.72 V。随着聚乙烯醇所占质量越来越高，自腐蚀电位越高，防腐性能越好，当聚乙烯醇质量高于聚丙烯酸钠质量时，溶液相互固化交联过度，不能很好地形成网状结构来有效地固定亲水高聚物。另外，由于测得1号、2号、4号和5号溶液获得的亲水膜层的耐水性较差，所以在盐水中容易脱离从而导致其耐蚀性差，从而降低其防腐性能，因此制备的3号样的防腐蚀性能最佳。

2.4 膜层厚度对基板防腐蚀性能的影响

当膜厚大于0.8 μm时，涂膜耐蚀性与膜的厚度无关；当膜厚在0.8～0.2 μm，涂膜耐腐蚀性随膜厚减小而降低；膜厚小于0.2 μm时，涂膜耐蚀性急剧下降。实验采用3号树脂溶液在铝合金表面形成的膜厚度平均为0.39 μm，且防腐蚀性能达到要求。

2.5 亲水膜层表面形貌

对涂覆3号样的亲水树脂溶液的铝合金板表面采用SEM扫描电镜进行表征，结果如图4所示。由图可看出，涂覆有亲水膜溶液的铝合金板表面形成一层光滑、致密、均匀、连续的亲水膜，对铝合金板起到良好的防护性能。

图4 亲水膜的表面形态

2.6 亲水膜的热重性能

对3号样的亲水树脂溶液在铝合金板形成的亲水膜进行热重分析，结果如图5所示。可以看出，当温度在50～250 ℃时，有1%的热量损失，这由于吸附在膜表面的水分蒸发引起；当温度在300～450 ℃时，有20%的热量损失，由于碳链骨架的断裂发生了大范围失重。因此可判断亲水膜具有很好的热稳定性。

图5 亲水膜的热重曲线

3 结 论

制备了亲水膜涂料，研究了组分对膜性能的影响究，测试了亲水膜的亲水性能及防腐蚀性能。当水性树脂K500-35质量分数为14.26%、聚乙烯醇质量分数为7.13%、聚丙烯酸钠的质量分数为7.13%、乙二醛的质量分数为0.12%、十二烷基苯磺酸钠的质量分数为0.05%、OEP-70质量分数为0.02%，制备的树脂溶液涂覆于铝合金板表面形成的亲水膜具有致密的结构，铝合金板具有较强的耐腐蚀性能和很强的亲水性能。

加入的含有羰基的低分子质量有机化合物乙二醛等会与高亲水树脂聚乙烯醇和聚丙烯酸钠发生交联化学反应，形成网状交联结构，使亲水膜表面富集极性亲水基团—COOH、—OH牢固附着在基板表面，从而增大了亲水膜表面的附着力，提高了溶液的稳定性、亲水性及耐水性。在一定范围内，树脂溶液中的聚乙烯醇与聚丙烯酸钠质量比越高，亲水膜的亲水能力越强。

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