CN102534719B - 一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法，该方法为：一、将铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，然后依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，用电吹风吹干待用；二、将氢氧化钾和过硫酸钾加入无水乙醇中，得到溶液A；三、将低表面能材料滴加至无水乙醇中，得到溶液B；四、将溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极，电解；五、将电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡2h以上；六、将溶液B均匀涂抹于浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。采用本发明的方法制备的超疏水表面，接触角可达162°以上。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法。
背景技术
固体表面的润湿性是一个非常重要的指标，主要取决于化学组成和微观结构。自然界的很多植物例如荷叶均展示了超常的超疏水性能，这些叶片的表面通常都有微/纳尺度的复合结构，因而拥有了低的滚动角和高达150°以上的接触角。目前，关于制备超疏水材料的方法主要有阳极氧化、电沉积、化学腐蚀、等离子刻蚀、激光处理、电纺丝、化学气相沉积、溶胶凝胶等，然而，这些方法还存在一些缺点，例如昂贵的材料、复杂的工艺控制和需要使用模板剂，这些都严重阻碍了其在工程中的大规模应用。一般制备超疏水表面可以从两个方面入手：一方面是在粗糙表面上修饰低表面能物质；另一方面是在超疏水材料表面构建粗糙结构。然而，在光滑表面上仅通过改变表面能，通常只能使接触角最大增加到120°，而具有微细粗糙结构的表面的接触角则可超过150°。因此，采用一种高效、价廉、简单、方便的方法来构造合适的粗糙的表面结构，在工业大尺度的应用中具有明显的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种方法简单，效率高，成本低，易于实现大尺度的工业化生产要求的在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法。采用该方法在铜基体上制备的超疏水表面，接触角可达162°以上。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后的铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，再用电吹风吹干待用；
步骤二、将氢氧化钾和过硫酸钾加入无水乙醇中，搅拌均匀后得到溶液A；所述溶液A中氢氧化钾的浓度为0.66mol/L～0.83mol/L，过硫酸钾的浓度为0.03mol/L～0.05mol/L；
步骤三、将低表面能材料滴加至无水乙醇中，搅拌至低表面能材料完全溶解，得到溶液B；所述低表面能材料与无水乙醇的体积比为1∶50～70，所述低表面能材料为氟硅烷或脂肪酸；
步骤四、将步骤二中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块步骤一中吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为25mm～35mm，打开直流电源，在电压为15V～30V的条件下电解30min～90min；
步骤五、将步骤四中经电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡2h以上；
步骤六、将步骤三中所述溶液B均匀涂抹于步骤五中经蒸馏水浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。
上述步骤二中所述溶液A中氢氧化钾的浓度为0.70mol/L～0.80mol/L。
上述步骤二中所述过硫酸钾的浓度为0.044mol/L。
上述步骤三中所述低表面能材料与无水乙醇的体积比为1∶60。
上述步骤四中所述两块铜基体之间的距离为30mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的方法简单，效率高，成本低，易于实现大尺度的工业化生产要求，该方法突破了以往需要酸性电解液的限制，首次在碱性溶液中构建出超疏水结构。
2、本发明的方法是在无水乙醇中电解，不会释放出有毒气体，操作安全。
3、本发明的方法比现有的电解法快速，比浸泡法制备的超疏水表面疏水性能更好。
4、采用本发明的方法在铜基体上制备的超疏水表面，接触角可达162°以上，并且在常规条件下放置一年后超疏水性能保持稳定。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
说明书附图
图1是本发明实施例1制备的超疏水表面的扫描电镜图。
图2是本发明实施例3制备的超疏水表面的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
步骤一、将两块大小为50mm×25mm×1.5mm铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后的铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，再用电吹风吹干待用；
步骤二、将7g氢氧化钾和1.78g过硫酸钾加入无水乙醇中，定容至150mL，搅拌均匀后得到氢氧化钾浓度为0.83mol/L，过硫酸钾浓度为0.044mol/L的溶液A；
步骤三、将0.5mL氟硅烷滴加至30mL无水乙醇中，搅拌至氟硅烷完全溶解，得到溶液B；
步骤四、将步骤二中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块步骤一中吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为30mm，打开直流电源，在电压为20V的条件下电解30min；
步骤五、将步骤四中经电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡2h；
步骤六、将步骤三中所述溶液B均匀涂抹于步骤五中经蒸馏水浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。
图1是本实施例制备的超疏水表面的扫描电镜图，从图中可以看出，很多约为1μm的片状结构随机分布在基底表面上，但最上层的片状结构取向基本垂直于基底；同时，这些片状结构又团簇形成一个复杂的粗糙结构，这极大地增加了储存空气的能力。该结构与低表面能的氟硅烷结合，从而实现了铜基体表面的超疏水性能。
实施例2
本实施例与实施例1相同，其中不同之处在于：所用低表面能材料为豆蔻酸、硬脂酸或月桂酸。
实施例3
步骤一、将两块大小为50mm×25mm×1.5mm铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后的铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，再用电吹风吹干待用；
步骤二、将6.3g氢氧化钾和1.78g过硫酸钾加入无水乙醇中，定容至150mL，搅拌均匀后得到氢氧化钾浓度为0.75mol/L，过硫酸钾浓度为0.044mol/L的溶液A；
步骤三、将0.5mL硬脂酸滴加至30mL无水乙醇中，搅拌至硬脂酸完全溶解，得到溶液B；
步骤四、将步骤二中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块步骤一中吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为30mm，打开直流电源，在电压为20V的条件下电解30min；
步骤五、将步骤四中经电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡2h；
步骤六、将步骤三中所述溶液B均匀涂抹于步骤五中经蒸馏水浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。
图2是本实施例制备的超疏水表面的扫描电镜图，从图中可以看出，很多约为1μm的片状结构随机分布在基底表面上，但最上层的片状结构取向基本垂直于基底；同时，这些片状结构又团簇形成一个复杂的粗糙结构，这极大地增加了储存空气的能力。该结构与低表面能的脂肪酸结合，从而实现了铜基体表面的超疏水性能。
实施例4
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于：所用低表面能材料为氟硅烷、豆蔻酸或月桂酸。
实施例5
步骤一、将两块大小为50mm×25mm×1.5mm铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后的铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，再用电吹风吹干待用；
步骤二、将5.88g氢氧化钾和2.03g过硫酸钾加入无水乙醇中，定容至150mL，搅拌均匀后得到氢氧化钾浓度为0.70mol/L，过硫酸钾浓度为0.05mol/L的溶液A；
步骤三、将0.5mL氟硅烷滴加至25mL无水乙醇中，搅拌至氟硅烷完全溶解，得到溶液B；
步骤四、将步骤二中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块步骤一中吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为35mm，打开直流电源，在电压为30V的条件下电解30min；
步骤五、将步骤四中经电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡5h；
步骤六、将步骤三中所述溶液B均匀涂抹于步骤五中经蒸馏水浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。
实施例6
本实施例与实施例5相同，其中不同之处在于：所用低表面能材料为月桂酸、豆蔻酸或硬脂酸。
实施例7
步骤一、将两块大小为50mm×25mm×1.5mm铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后的铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，再用电吹风吹干待用；
步骤二、将6.72g氢氧化钾和1.62g过硫酸钾加入无水乙醇中，定容至150mL，搅拌均匀后得到氢氧化钾浓度为0.80mol/L，过硫酸钾浓度为0.04mol/L的溶液A；
步骤三、将0.5mL豆蔻酸滴加至35mL无水乙醇中，搅拌至豆蔻酸完全溶解，得到溶液B；
步骤四、将步骤二中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块步骤一中吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为30mm，打开直流电源，在电压为20V的条件下电解60min；
步骤五、将步骤四中经电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡4h；
步骤六、将步骤三中所述溶液B均匀涂抹于步骤五中经蒸馏水浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。
实施例8
本实施例与实施例7相同，其中不同之处在于：所用低表面能材料为氟硅烷、硬脂酸或月桂酸。
实施例9
步骤一、将两块大小为50mm×25mm×1.5mm铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后的铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，再用电吹风吹干待用；
步骤二、将5.54g氢氧化钾和1.22g过硫酸钾加入无水乙醇中，定容至150mL，搅拌均匀后得到氢氧化钾浓度为0.66mol/L，过硫酸钾浓度为0.03mol/L的溶液A；
步骤三、将0.5mL氟硅烷滴加至25mL无水乙醇中，搅拌至氟硅烷完全溶解，得到溶液B；
步骤四、将步骤二中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块步骤一中吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为25mm，打开直流电源，在电压为15V的条件下电解90min；
步骤五、将步骤四中经电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡3h；
步骤六、将步骤三中所述溶液B均匀涂抹于步骤五中经蒸馏水浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。
实施例10
本实施例与实施例9相同，其中不同之处在于：所用低表面能材料为豆蔻酸、硬脂酸或月桂酸。
对本发明实施例1，实施例3，实施例5，实施例7和实施例9制备的具有超疏水表面的铜基体进行接触角检测，结果见下表：
表1具有超疏水表面的铜基体的接触角
| 样品 | 实施例1 | 实施例3 | 实施例5 | 实施例7 | 实施例9 |
| 接触角(°) | 165 | 164 | 162 | 162 | 163 |
从表1可以看出，采用本发明的方法在铜基体上制备超疏水表面，表面的接触角达到162°以上，极大地降低了液滴与基底表面的接触面积，从而进一步提高了超疏水表面的不粘、防污及防腐等性能。
本发明研究了浸泡时间对超疏水表面接触角的影响，将采用实施例1的方法电解后的阳极铜基体置于蒸馏水中，浸泡不同时间，然后再涂抹溶液B，晾干，对不同浸泡时间的阳极铜基体超疏水表面接触角进行检测，结果见下表：
表2不同浸泡时间对超疏水表面接触角的影响
| 浸泡时间 | 0.5h | 1h | 1.5h | 2h | 3h |
| 接触角(°) | 92 | 146 | 152 | 165 | 165 |
从表2可以看出，电解后的阳极铜基体在蒸馏水中的浸泡时间低于2h时，制备的超疏水表面接触角较小，当浸泡时间达到2h以上时，接触角可达165°，因此电解后的阳极铜基体在蒸馏水中的浸泡时间至少为2h。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将铜基体依次用800粒度和1200粒度的水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后的铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，再用电吹风吹干待用；
步骤二、将氢氧化钾和过硫酸钾加入无水乙醇中，搅拌均匀后得到溶液A；所述溶液A中氢氧化钾的浓度为0.66mol/L～0.83mol/L，过硫酸钾的浓度为0.03mol/L～0.05mol/L；
步骤三、将低表面能材料滴加至无水乙醇中，搅拌至低表面能材料完全溶解，得到溶液B；所述低表面能材料与无水乙醇的体积比为1∶50～70，所述低表面能材料为氟硅烷或脂肪酸；
步骤四、将步骤二中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将两块步骤一中吹干后的铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为25mm～35mm，打开直流电源，在电压为15V～30V的条件下电解30min～90min；
步骤五、将步骤四中经电解后的阳极铜基体依次用无水乙醇和清水冲洗干净，然后将冲洗后的阳极铜基体置于蒸馏水中浸泡2h以上；
步骤六、将步骤三中所述溶液B均匀涂抹于步骤五中经蒸馏水浸泡后的阳极铜基体上，然后晾干，得到具有超疏水表面的铜基体。
2.根据权利要求1所述的一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法，其特征在于，步骤二中所述溶液A中氢氧化钾的浓度为0.70mol/L～0.80mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法，其特征在于，步骤二中所述过硫酸钾的浓度为0.044mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法，其特征在于，步骤三中所述低表面能材料与无水乙醇的体积比为1∶60。
5.根据权利要求1所述的一种在铜基体上制备超疏水表面的电化学方法，其特征在于，步骤四中所述两块铜基体之间的距离为30mm。
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