酸堿浸蝕鋁制印版表面潤濕性機理研究

肖晨光，楊奇彪， 陶　然， 陳　列， 婁德元， 翟中生， Peter Bennett， 劉　頓

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

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酸堿浸蝕鋁制印版表面潤濕性機理研究

肖晨光，楊奇彪， 陶然， 陳列， 婁德元， 翟中生， Peter Bennett， 劉頓

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

針對膠印技術在印刷過程中鋁制印版需進行浸潤性控制的問題，采用酸堿溶液對鋁制印版表面進行浸蝕，對浸蝕前后鋁制印版的粗糙度、接觸角及滾動角進行測量，并研究其表面潤濕性的形成機理。結果表明：浸蝕后的鋁制印版表面粗糙度會明顯升高，酸堿溶液浸蝕可以增大鋁制印版表面的接觸角，降低鋁制印版表面的滾動角。在鋁制印版的表面會形成許多形如“山峰”狀的凸起和凹坑，當水滴落在鋁制印版表面會將一部分空氣密封在凹坑內，這些空氣會阻止水滲透到鋁板表面。此結論與Cassie理論相吻合，可用于制備鋁制印版的超疏水表面。

潤濕性； 鋁制印版； 表面粗糙度； 接觸角

潤濕是固體表面流體被其他流體代替的過程，是固體表面的一個重要特征。研究如何改變液滴與介質表面的潤濕特性具有重大應用價值，如電潤濕技術[1]。自然界很多動植物表現出潤濕性特征，如：荷葉表面、黃斑大蚊的翅表面、水黽的腿等[2-4]。這些表面可使水變成珠狀滾落，具有自清潔、耐浸蝕的特性，被稱為“荷葉效應”。研究表明：荷葉效應是因為其表面的雙重復合微結構和化學成分引起的，學者們仿照類似結構制備了各種不同的超疏水表面[5]。傳統的超疏水表面制備方法分為兩步：先采用化學浸蝕法[6]、溶膠凝膠法[7-8]、化學氣相沉積法[9-10]等對表面粗糙化，然后再用脂肪酸、氟代烷基硅氧烷聚合物等化學試劑對表面進行處理[11]。由于上述方法制備周期長、化學試劑昂貴，本文采用普通化學試劑對鋁制印版(以下簡稱鋁板)表面進行浸蝕，并研究酸堿溶液浸蝕下的鋁板表面潤濕性產生機理。該方法可用于膠印技術在印刷過程中的鋁制印版浸潤性控制及超疏水表面制備。

1　實驗步驟

1.1拋光并清洗

實驗所用鋁板由德國Hydro Aluminium Rolled Products Gmbh公司提供(純度為99.9%)，將8塊6 cm×12 cm×0.5 cm的鋁板經600粒度的砂紙進行粗拋、M-1型金相試樣預磨機精磨、P-1型金相試樣拋光機拋光(拋光后的試樣粗糙度達0.5以下)、在丙酮中浸沒經JP-080B超聲波清洗機清洗10 min，然后在去離子水中浸沒，經JP-080B超聲波清洗機清洗10 min，取出后放在DHG—9023A電熱恒溫鼓風干燥箱干燥。

1.2堿浸蝕

將8塊樣品標記為1～8。為了研究NaOH溶液不同反應時間下鋁板的變化情況，所有樣品放在體積分數為0.7%的NaOH溶液中浸蝕30 s。為了保證浸蝕均勻，全過程用78-1型磁力加熱攪拌器進行攪拌。

1.3酸浸蝕

將樣品用體積分數為12%的HCl溶液浸蝕260 s。為了保證浸蝕均勻，全過程用78-1型磁力加熱攪拌器進行攪拌，本過程最高溫度為65℃。然后將198 mL酒精和2 mL體積分數為1%的十四酸混合溶液浸泡10 min。

2　實驗結果與分析

2.1接觸角及滾動角測量

在Drop-meter接觸角測量儀(圖1)上對上述浸蝕前后樣品的接觸角及滾動角進行測量，測量時用3 μL水滴，溫度為21℃，濕度為35%。為了保證測量的準確性，每件樣品接觸角及滾動角均測量3次，取平均值，測得的接觸角及滾動角平均值如圖2所示(未浸蝕前的接觸角一般在80°～90°間，滾動角無法測出)。

圖 1　Drop-meter接觸角測量儀

圖 2　酸堿溶液浸蝕下的鋁板接觸角及滾動角變化情況

2.2表面粗糙度測量

在德國Bruker公司生產的Contour GT-K0表面輪廓儀上，對上述浸蝕前后樣品的表面粗糙度進行測量。為了保證測量的準確性，每件樣品表面粗糙度均測量3次，取平均值，測得的表面粗糙度值如表1所示(浸蝕前樣品的表面粗糙度平均值為0.855 μm)，浸蝕后樣品的三維形貌如圖3所示。

表1　浸蝕后樣品的表面粗糙度

圖 3　浸蝕后鋁板的三維表面形貌

由表1可知，酸堿復合環境對鋁板表面的處理使鋁板表面的粗糙度明顯增大，圖3樣品浸蝕后可以看出浸蝕后的表面產生了很多尖銳凸起的“山峰”。Cassie理論將圖3中的山峰假設為凹槽結構。由于凹槽內截留有空氣，當水滴滴入凹槽內時無法滲透進凹槽內，導致空氣滯留在凹槽的上表面(圖4)[12]。水在粗糙固體表面的接觸角θc和本征接觸角θs和θv(液體在光滑固體表面的平衡接觸角稱材料的本征接觸角)之間滿足：

cosθc=fscosθs+fvcosθv

(1)

式中:θs為液體在光滑固體表面的本征接觸角，θv為液體與空氣的接觸角)；fs和fv分別是復合表面固體、復合表面氣體所占比例(fs+fv=1)，通常認為θv=180°，因此式(1)可變為：

(2)

由于fs總小于1，在Cassie理論下fs越小，接觸角θc越大。極限情況下當fs趨近于0時接觸角達180°，即此時固體表面變成超疏水狀態。對于接觸角大于90°的疏水表面，表面粗糙提高可以使表面接觸角變大；對于接觸角小于90°的親水表面，由于空氣的存在，表面接觸角仍然會隨著粗糙度增加而增大。浸蝕后的鋁板產生的粗糙表面有利于形成密閉的空間儲存空氣。由圖2可以看出，通過酸堿浸蝕后的鋁板接觸角達到140°以上，滾動角在20°左右，屬于疏水結構甚至是超疏水結構[13]。

圖 4　Cassie理論下的水滴在粗糙固體表面的接觸模式

3　結論

本文先后運用NaOH溶液和十四酸混合溶液對鋁板進行浸蝕，通過對鋁板表面接觸角、滾動角和表面粗糙度進行測量，基于Cassie理論分析了酸堿溶液浸蝕下的鋁板表面浸潤性機理，得出結論如下：

1)通過酸堿溶液浸蝕后的鋁板接觸角達到140°到160°，滾動角在20°左右，酸堿溶液浸蝕可以增大鋁板的接觸角，降低鋁板的滾動角；

2)酸堿溶液浸蝕對鋁板表面的處理使鋁板表面的粗糙度明顯增大，該鋁板表面屬于疏水結構甚至是超疏水結構。

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[責任編校： 張眾]

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

國家自然科學基金(51405141、51575164)；湖北省自然科學基金(2014CFB596)；湖北省教育廳項目(Q20151404、T201405)

肖晨光(1991-)， 男， 湖北隨州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為激光加工

劉頓(1980-)男，湖北十堰人，工學博士，湖北工業大學教授，研究方向為激光加工

1003-4684(2016)04-0011-03

TS801.1

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