CN101864571A - 一种制备铜基超疏水表面的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备铜基超疏水表面的方法，其步骤是：将铜基表面打磨平整并抛光；将铜基浸泡在HNO3溶液中刻蚀片刻取出，用水冲洗吹干；均匀喷覆醋酸，于室温下、相对湿度50％以上、阴干后再次喷覆醋酸，待铜基表面上形成遍布绿色斑点的表面层；将铜基放入烘箱中于300±50℃下烘烤取出，置于空气中至冷却；将处理后的铜基浸泡在正十八硫醇的乙醇溶液或十二硫醇的乙醇溶液，40-60℃水浴中浸泡，完成自组装过程；取出铜基用无水乙醇冲洗吹干。本发明从仿生学角度出发，提供的表面处理工艺方法，可在铜材表面制备具有多重微观结构的氧化层，再通过正十八硫醇自组装膜进行疏水化处理，即可获得了接触角大于150°的超疏水表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基表面的制备方法，具体地涉及一种铜基超疏水表面的制备方法。
背景技术
自然界中存在一些超疏水现象，例如，当水滴落在荷叶上时，水与荷叶形成接近170°的接触角，聚集成珠状而不铺展，极度疏水。水滴在荷叶表面上可以实现自由滚动，当水滴(如雨水、露水等)滚动时，可以将附着在表面上的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁，称这样的表面为荷叶效应表面，又称超疏水表面。
荷叶效应的形成，一方面在于其表面上具有低表面能的化学成分，另一方面在于荷叶表面的双微观结构，即由细胞组成的乳瘤形成的直径5～9微米(μm)、高度1～20μm的微米级结构和乳突表面分布的直径124nm的纳米级绒毛结构。美国密歇根大学的一项研究(Cheng，Y.T.，Rodak，D.E.，Wong，C.A.，et al.(2006).Effects of micro-and nano-structures on the self-cleaning behaviour of lotus leaves.Nanotechnology，17(5)，1359-1362)表明，含有两种结构的荷叶的接触角为142°，只含有微米结构的荷叶接触角为126°，单独只含蜡质表面的接触角为74°。说明微观结构是形成超疏水表面的必要条件。
铜基超疏水表面可在滴状冷凝、防腐蚀、管道减阻和防结垢等很多领域有重要应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备铜基超疏水表面的方法。
为实现上述目的，本发明提供的制备方法其主要步骤是：
1)将铜基表面打磨平整并抛光；
2)将铜基浸泡在6×10-3mol/L-8×10-3mol/L的HNO3溶液中刻蚀片刻取出，用水冲洗吹干；
3)均匀喷覆5×10-4mol/L-8×10-4mol/L的醋酸，于室温下、相对湿度50％以上、阴干后再次喷覆5×10-4mol/L-8×10-4mol/L的醋酸，待铜基表面上形成遍布绿色斑点的表面层；
4)将步骤3的铜基放入烘箱中于300±50℃下烘烤取出，置于空气中至冷却，
5)将步骤4处理后的铜基浸泡在1.0×10-6mol/L-2.0×10-6mol/L正十八硫醇(或十二硫醇)的乙醇溶液，40-60℃水浴中浸泡，完成自组装过程；取出铜基用无水乙醇冲洗，吹干。
本发明从仿生学角度出发，提供的表面处理工艺方法，可在铜材表面制备具有多重微观结构的氧化层，再通过正十八硫醇自组装膜进行疏水化处理，即可获得了接触角大于150°的超疏水表面。
附图说明
图1是本发明制备的铜基超疏水表面的扫描电镜图片。
具体实施方式
1)样品准备：基材选用纯度＞95％(质量)的紫铜，样品形状和尺寸不限，本实施例以厚度约2mm的紫铜片为例。首先要将表面打磨平整并抛光，可以采用规格为800目、1000目、1500目金相砂纸逐级手工抛光，或选用水溶性研磨膏(金刚石w0.5)在抛光机上抛光，以表面平整光洁、无氧化层为度。将抛光的铜片剪裁成30mm×10mm试样，分别以蒸馏水和乙醇或丙酮冲洗，去除铜表面研磨膏等油污。
2)制备具有多重微观结构的氧化层：清洗后的试样浸泡在6×10-3mol/L的HNO3溶液中刻蚀15～30s，取出后用大量蒸馏水冲洗，吹干，以喷雾器在试样表面上空5～10cm处均匀喷覆7×10-4mol/L的醋酸酸雾，以略沾湿试样为宜，不可汇集成流。将试样放置在室温、相对湿度50％以上、阳光不能直接照射的环境下，24小时后再次喷覆7×10-4mol/L的醋酸。48小时后表面上将形成一层遍布绿色斑点的表面层，主要为青绿色细小颗粒或无定形粉末，即铜绿。铜绿主要成分是碱性碳酸铜和水合醋酸铜的混合物，其生成机理如下：
2Cu+H2O(g)+O2+CO2→Cu2(OH)2CO3 (1)
2CuCO3+4HOAc→Cu2(OAc)4(H2O)2+2CO2 (2)
醋酸对于铜绿生成有催化作用。将上述试样置于石英坩埚中，放入烘箱烘烤，温度控制在300±50℃，时间为30s～60s，取出后露置于空气中至冷却，此时，表面为一层黑色物质，其成分主要是氧化铜，是由碳酸铜、氢氧化铜和醋酸铜等分解生成的：
碳酸铜、氢氧化铜和醋酸铜的晶体在表面上生成过程中形成了特定的立体空间结构，而不是沿着铜表面生长成致密钝化膜。这些晶体分解后，保留了部分空间结构特征，形成了具有特殊的晶体堆积形态。
3)疏水性修饰：将氧化处理后的试样浸泡在1.0×10-6mol/L正十八硫醇(或十二硫醇)的乙醇溶液，在水浴中保持50℃左右的恒温，避免十八硫醇沉淀在铜片表面阻碍自组装进程。浸泡2小时以上，自组装过程基本完成。取出铜片，用无水乙醇冲洗，吹干。此时铜表面生成了由硫铜共价键连接的自组装膜。自组装过程的反应方程式如下：
2HSC18H37+CuO→(SC18H37)2+Cu+H2O (6)
经过上述处理后，水在该铜试样表面上的接触角可达153°，经扫描电镜放大2000倍观察(图1)，可以看到，表面呈现有立体感的空间形貌，有一些形状象卷曲的花瓣、尺度为20微米左右的晶簇遍布于表面之上，形成了厚度约为1～3微米、错落有致、凹凸不平的膜层。也可观察到更加精细的晶体颗粒形态，尺度约为百纳米级以下。
Claims (5)
1.一种制备铜基超疏水表面的方法，其主要步骤是：
1)将铜基表面打磨平整并抛光；
2)将铜基浸泡在6×10-3mol/L-8×10-3mol/L的HNO3溶液中刻蚀片刻取出，用水冲洗吹干；
3)均匀喷覆5×10-4mol/L-8×10-4mol/L的醋酸，于室温下、相对湿度50％以上、阴干后再次喷覆5×10-4mol/L-8×10-4mol/L的醋酸，待铜基表面上形成遍布绿色斑点的表面层；
4)将步骤3的铜基放入烘箱中于300±50℃下烘烤取出，置于空气中至冷却；
5)将步骤4处理后的铜基浸泡在1.0×10-6mol/L-2.0×10-6mol/L正十八硫醇的乙醇溶液或十二硫醇的乙醇溶液，40-60℃水浴中浸泡，完成自组装过程；取出铜基用无水乙醇冲洗吹干。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2中的HNO3溶液浓度为6×10-3mol/L。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤3中的醋酸浓度为7×10-4mol/L。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤3中喷覆醋酸是以铜基表面略沾湿为准。
5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤5中的正十八硫醇的乙醇溶液或十二硫醇的乙醇溶液的浓度为1.0×10-6mol/L。
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