一種基于銅的超疏水表面及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超疏水材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種基于銅的超疏水表面及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]浸潤性是固體表面的重要特征之一，而超疏水性能為其中的一種表現(xiàn)方式。通常提高物體表面疏水性的方法有兩種:一是改變物體表面的微觀物理結(jié)構(gòu)，降低表面能。二是改變物體表面的化學(xué)組成，如用低表面能的物質(zhì)對物體表面進(jìn)行修飾。
[0003]自然界中存在著很多超疏水現(xiàn)象，許多動植物，如荷葉、水稻葉、蟬翼和水龜腿表面具有超疏水現(xiàn)象。超疏水表面一般指與水的靜態(tài)接觸角大于150°的表面。具有超疏水性質(zhì)的金屬表面以其自清潔、抗氧化、抗腐蝕、流動減阻及微流體無損輸送等方面的潛在應(yīng)用價(jià)值受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。同時(shí)，超疏水表面對于宏觀尺度水滴帶來的覆冰具有明顯抑制作用。它能延緩結(jié)冰時(shí)間、減少覆冰量、降低冰塊與固體表面的粘附。
[0004]銅作為在電器、建筑工業(yè)、輕工業(yè)、機(jī)械制造、國防工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用的金屬材料，在很多應(yīng)用下要求銅基表面具有超疏水性能。目前現(xiàn)有的制備超疏水銅基表面的方法通常處理工序較為復(fù)雜、成本高、對環(huán)境也有一定的影響，且目前較為普遍的通過沉積修飾而得的超疏水銅表面結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，易脫落。因此研發(fā)出工序簡單，成本低且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的超疏水銅表面制作方法具有重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對目前金屬銅基體上制備超疏水表面方法存在的處理工序多，成本高且所得超疏水銅表面結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定的問題，本發(fā)明提供了一種成本較低且所得超疏水結(jié)構(gòu)性能較為穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的基于銅的超疏水表面及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0007]一種基于銅的超疏水表面的制備方法，其包括如下步驟:
(1)銅片預(yù)處理:使用不同梯度砂紙將銅片打磨，至表面光滑，再經(jīng)超聲波清洗去除表面殘留的磨削，獲得初步粗化表面微結(jié)構(gòu)；
優(yōu)選的，所述打磨砂紙?zhí)荻葹?600cw、800cw、lOOOcw與1500cw ；
優(yōu)選的，所述超聲波清洗時(shí)間為5min。
[0008](2)電鍍預(yù)處理:在常溫常壓下，先將步驟(1)所得實(shí)驗(yàn)銅片以及電鍍所需鋅片進(jìn)行堿洗，去除表面油污。取出后再經(jīng)去離子水清洗，去除表面殘余堿液，而后再對其進(jìn)行酸洗處理，去除表面氧化層。再用去離子水進(jìn)行清洗，便可得到清潔的銅片和鋅片；
優(yōu)選的，所述堿洗溶液為氫氧化鈉溶液，氫氧化鈉溶液的濃度為100 g/L~140 g/L ； 優(yōu)選的，所述銅片置于氫氧化鈉溶液中進(jìn)行堿洗的時(shí)間為10~15分鐘；
優(yōu)選的，所述鋅片于氫氧化鈉溶液中清洗的時(shí)間為10~15分鐘；
優(yōu)選的，所述酸洗溶液為稀硫酸溶液，稀硫酸溶液濃度為:5wt% ； 優(yōu)選的，所述銅片于稀鹽酸中洗滌的時(shí)間為8~10分鐘；
優(yōu)選的，所述鋅片于稀鹽酸中清洗的時(shí)間為10秒。
[0009](3 )表面鍍鋅:將步驟(2 )所述電鍍預(yù)處理后的銅片和鋅片置于電鍍盒中，加入電鍍液，并將電鍍盒放入恒溫水浴箱中，以得到恒溫的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；以鋅片為陽極，以銅片為陰極，分別連接直流電箱的輸出正/負(fù)極，調(diào)節(jié)參數(shù)靜置電鍍；電鍍結(jié)束后將銅片取出用去離子水清洗并干燥，即得表面鍍鋅銅塊；
優(yōu)選的，所述電鍍液為鍍鋅電鍍液；
優(yōu)選的，所述恒溫水浴箱設(shè)定的溫度為30 °C~40 °C;
優(yōu)選的，所述電鍍的參數(shù)調(diào)節(jié)為:電流密度為20~30 mA/cm2,電鍍時(shí)間為15~20分鐘。
[0010](4)低溫?zé)Y(jié):將電鍍完成的銅片放入還原氣氛保護(hù)爐中低溫?zé)Y(jié)；
優(yōu)選的，所述低溫?zé)Y(jié)的溫度為150~200 °C，燒結(jié)時(shí)間為2小時(shí)。
[0011](5)脫合金處理:將低溫?zé)Y(jié)后的銅片隨爐冷卻，然后取出置于脫合金腐蝕溶液中進(jìn)行脫合金處理，至表面完全變黑后取出銅片，最后用去離子水清洗并干燥，所得產(chǎn)物即為所述具有納米多孔表面結(jié)構(gòu)的銅片；
進(jìn)一步地，所述脫合金腐蝕溶液為稀硫酸溶液或氫氧化鈉溶液，稀硫酸溶液濃度為3wt%~10wt%，氫氧化鈉溶液濃度為100g/L~180g/L;所述表面完全變黑后取出銅片為脫合金腐蝕的終止時(shí)間，根據(jù)腐蝕溶液的選擇及濃度的不同，腐蝕時(shí)間為8h~24h ；
優(yōu)選的，所述脫合金腐蝕溶液為氫氧化鈉溶液，氫氧化鈉溶液的濃度為100 g/L~140
g/L ；
優(yōu)選的，所述脫合金處理的時(shí)間為12~24小時(shí)。
[0012](6)修飾處理:將上述所得具有納米多孔表面結(jié)構(gòu)的銅片在常溫常壓下置于預(yù)先配置好的修飾溶液中靜置修飾，將疏水化合物修飾在其表面，即得超疏水銅表面；
進(jìn)一步地，所述的修飾溶液為硬脂酸酒精溶液，溶液濃度為4~8mmol/L ;所述的修飾時(shí)間根據(jù)硬脂酸酒精溶液的濃度不同，修飾時(shí)間為8~18h
優(yōu)選的，所述修飾溶液為硬脂酸酒精溶液，所述的硬脂酸酒精溶液的濃度為:5~8mmol/
L ；
優(yōu)選的，所述修飾時(shí)間為:8~12小時(shí)。
[0013]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
(1)由于本發(fā)明中修飾對象為帶有多孔結(jié)構(gòu)的銅基體本身，而普通化學(xué)沉積修飾方法的修飾對象為沉積于銅表面的銅化合物，由于沉積物質(zhì)本身附著的不穩(wěn)定性導(dǎo)致修飾后的銅表面極易脫落，因此本發(fā)明與現(xiàn)有的普通化學(xué)沉積修飾方法相比所得的超疏水表面，結(jié)構(gòu)與性能更加穩(wěn)定；
(2)本發(fā)明所制備的超疏水表面具有很高的疏水性，接觸角能達(dá)到158°以上；
(3)本發(fā)明的成本低廉，工藝可控，實(shí)施過程簡單，因此生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，且可大面積對形狀特殊或復(fù)雜的銅零部件表面進(jìn)行超疏水改性。
【附圖說明】
[0014]圖1是實(shí)施例1制備的基于銅的超疏水表面的靜態(tài)接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0015]圖2是實(shí)施例1制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0016]圖3是實(shí)施例1制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0017]圖4是實(shí)施例2制備的基于銅的超疏水表面的靜態(tài)接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0018]圖5是實(shí)施例2制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0019]圖6是實(shí)施例2制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0020]圖7是實(shí)施例3制備的基于銅的超疏水表面的靜態(tài)接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0021]圖8是實(shí)施例4制備的基于銅的超疏水表面的靜態(tài)接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0022]
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0024]實(shí)施例1:(1)銅片預(yù)處理:實(shí)驗(yàn)銅片為20mm*20mm*2mm銅片，使用600cw、800cw、lOOOcw、1500cw的砂紙依次將銅片打磨，至表面光滑，再經(jīng)超聲波清洗5min去除表面殘留的磨削，獲得初步粗化表面微結(jié)構(gòu)。
[0025](2)電鍍預(yù)處理:在常溫常壓下，先將實(shí)驗(yàn)銅片以及電鍍所需鋅片用120g/L的氫氧化鈉堿洗lOmin，去除表面油污。取出后再經(jīng)去離子水清洗，去除表面殘余堿液，而后再用5wt%的稀硫酸酸洗處理，銅片酸洗lOmin，鋅片酸洗10s。去除表面氧化層。再用去離子水進(jìn)行清洗，便可得到清潔的銅片和鋅片。
[0026](3)表面鍍鋅:將電鍍預(yù)處理后的銅片和鋅片置于電鍍盒中，加入電鍍液，并將電鍍盒放入恒溫水浴箱中，調(diào)節(jié)溫度為30°C，以得到恒溫的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；以鋅片為陽極，以銅片為陰極，分別連接直流電箱的輸出正/負(fù)極，調(diào)節(jié)直流電流為80mA，電鍍時(shí)間為20min ;電鍍結(jié)束后將銅片取出用去離子水清洗并干燥，即得表面鍍鋅銅塊。
[0027](4)低溫?zé)Y(jié):將電鍍完成的銅片放入還原氣氛保護(hù)爐中低溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為150°C，燒結(jié)時(shí)間為2小時(shí);
(5)脫合金處理:將低溫?zé)Y(jié)后的銅片隨爐冷卻，然后取出置于120g/L的NaOH溶液中進(jìn)行脫合金處理，處理時(shí)間為16小時(shí)至表面完全變黑后取出銅片，最后用去離子水清洗并干燥，所得產(chǎn)物即為所述具有納米多孔表面結(jié)構(gòu)的銅片。
[0028](6)修飾處理:將上述所得具有納米多孔表面結(jié)構(gòu)的銅片在常溫常壓下置于預(yù)先配置好的5mmol/L的硬脂酸酒精溶液中靜置修飾8小時(shí)，將疏水化合物修飾在其表面，即得超疏水銅表面。圖1為所得超疏水銅片的靜態(tài)接觸角測量圖片，在測試液滴體積為4微升下，測量得靜態(tài)接觸角為157.5°。圖2及圖3所示為所得超疏水銅表面的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖，圖中銅表面不規(guī)則線狀凸起為硬脂酸與脫合金所得納米多孔銅基體反應(yīng)產(chǎn)物，硬脂酸銅。
[0029]實(shí)施例2:(1)銅片預(yù)處理:實(shí)驗(yàn)銅片為20mm*20mm*2銅片，使用600cw、800cw、lOOOcw、1500cw的砂紙依次將銅片打磨，至表面光滑，再經(jīng)超聲波清洗5min去除表面殘留的磨削，獲得初步粗化表面微結(jié)構(gòu)。
[0030](2)電鍍預(yù)處理:在常溫常壓下，先將實(shí)驗(yàn)銅片以及電鍍所需鋅片用100g/L的氫氧化鈉堿洗15min，去除表面油污。取出后再經(jīng)去離子水清洗，去除表面殘余堿液，而后再用5wt%的稀硫酸酸洗處理，銅片酸洗8min，鋅片酸洗10s。去除表面氧化層。再用去離子水進(jìn)行清洗，便可得到清潔的銅