CN102626686A - 在钢基体上制备低粘附超疏水表面的方法 - Google Patents

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徐文骥
宋金龙
刘新
陆遥
王续跃
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Abstract

本发明公开了一种在钢基体上制备低粘附超疏水表面的方法，其特征是先将钢板进行抛磨，再经清洗除油后浸泡在硫酸铜水溶液中不少于20s，使表面均匀地沉积一层铜，然后将沉积铜后的钢板浸泡在含氟硅烷的硝酸银水溶液中不少于2min，使表面均匀地沉积一层含氟硅烷的银，取出后用水冲洗，烘干后便可获得低粘附超疏水表面。采用本发明获得的钢表面具有极高的疏水性和抗粘附性，水滴在其上的接触角达163.4°，滚动角仅为1.5°。本发明方法无需危险的化学试剂及复杂昂贵的设备，工艺简单，重复性好。

Description

在钢基体上制备低粘附超疏水表面的方法
技术领域
本发明涉及一种在钢基体上制备低粘附超疏水表面的方法，属于功能材料、金属表面改性和防护领域。
背景技术
低粘附超疏水表面是指水滴在其上接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。由于其具有自清洁、减阻、耐腐蚀、抗结冰结霜等特性，在军事、通讯、航空、能源和生物医学等领域中有着极为广阔的应用前景。荷叶是低粘附超疏水表面在自然界中的典型代表。虽然荷叶的超疏水自清洁现象早在一千多年前就被记录下来，但其机理直到最近几年才被解释清楚。Barthlott和Jiang的研究发现荷叶表面的低粘附超疏水性是其特殊的表面结构和化学成分共同决定的。荷叶表面存在微纳米级的乳突状结构和低表面能的蜡状晶体，二元微纳米粗糙结构和低表面能材料的存在使得粗糙结构的空隙中捕获大量的空气，防止其表面被水滴润湿。荷叶低粘附超疏水性的原理给了在亲水性金属基体上制备出低粘附超疏水表面的一个思路，即先制备出二元微纳米粗糙结构，然后再通过低表面能材料的修饰来降低表面能。
钢在国防工业和民用工业中被广泛使用，因此在钢基体上制备低粘附超疏水表面具有很好的应用前景。目前已研究出的在钢基体上制备低粘附超疏水表面的方法有化学刻蚀法(Qu，M.N.；Zhang，B.W.；Song，S.Y.；Chen，L.；Zhang J.Y.；Cao X.P.Advancd Functional Materials 2007，17，593-596；申请号为200910212774.X的中国专利)、化学沉积法(Chen，L.J.；Chen，M.；Zhou H.D；Chen，J.M.Applied Surface Science 2007，255，3459-3462)、激光刻蚀法(Wu，B.；Zhou，M.；Li，J.；Ye，X.；Li，G.；Cai，L.Applied Surface Science 2009，256，61-66)、溶胶凝胶法(Yang，H.；Pi，P.H.；Cai，Z.Q.；Wen，X.F.；Wang，X.B.；Cheng J.；Yang Z.R.Applied Surface Science 2010，256，4095-4102)、喷涂法(Song，H.J.；Zhang，Z.H.；Men，X.H.AppliedPhysicsA2008，91，73-76)等。但上述方法存在一定的不足：(1)化学刻蚀法需使用强酸、强碱，对操作人员和环境的危害大；(2)化学沉积法所需的加工时间长，约30h；(3)激光刻蚀法需要昂贵的设备，且受到设备空间的限制，无法大面积制备；(4)溶胶凝胶法需要预先制备出SiO2硅胶溶液，该硅胶溶液的制备耗时较长，需19h；(5)喷涂法需要在300℃下固化2h，不但加工时间较长，且受烘箱尺寸的限制无法制备出大面积低粘附超疏水表面。此外，上述的化学刻蚀法、化学沉积法、激光刻蚀法均将粗糙结构的制备和表面能的降低分为两个步骤，大大降低了加工效率。因此，如何使用一种简单、高效、安全的方法在钢基体上制备低粘附超疏水表面显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术的不足之处，本发明提出一种简单、高效、安全地在钢基体上制备低粘附超疏水表面的方法。
本发明采用的技术方案包括如下步骤：
(1)将钢板进行抛磨，再清洗除油；所采用的钢板不能是不锈钢钢板；
(2)将处理干净的钢板浸泡在硫酸铜水溶液中不少于20s，使表面均匀地沉积一层铜；
(3)将沉积铜后的钢板浸泡在含氟硅烷的硝酸银水溶液中不少于2min，使表面均匀地沉积一层含氟硅烷的银，取出后用水冲洗，烘干后便可获得低粘附超疏水表面。
本发明方法与现有技术相比，具有如下突出的优点和效果：
(1)本发明方法简单实用，无需危险的化学试剂及复杂昂贵的设备，加工效率高，且极易大面积制备。
(2)本发明方法将粗糙结构的制备和表面能的降低同时进行，极大地简化了制备工艺。
(3)本发明的方法得到的低粘附超疏水表面具有极高的疏水性和抗粘附性，水滴在其上的接触角达163.4°，滚动角仅为1.5°。
(4)本发明方法得到的低粘附超疏水表面能有效保护钢基体，提高钢表面的耐腐蚀性。
(5)本发明方法不仅适用于平面钢材料而且适用于直管及弯曲管道内外壁。
附图说明
图1为实施例1在钢基体上获得的低粘附超疏水表面的扫描电镜图。
图2为实施例1在钢基体上获得的低粘附超疏水表面的扫描电镜图。
图3为实施例1在钢基体上获得的低粘附超疏水表面的疏水示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
将一定量的氟硅烷加入盛有0.03mol/L硝酸银水溶液的烧杯中配制成含1wt％氟硅烷的硝酸银水溶液，并在超声波清洗机中超声振荡30min使氟硅烷均匀分布在溶液中。将尺寸为30×40mm的碳素钢板用无水乙醇超声波清洗1min，然后分别用100#和400#金相砂纸打磨来去除表面的氧化物。将打磨后的碳素钢板用去离子水超声清洗1min。吹干后将其浸泡在1mol/L CuSO4水溶液中20s，使表面均匀地附上一层铜，然后再将其浸泡在上述含1wt％氟硅烷和0.03mol/L硝酸银的水溶液中2min。取出后用去离子水冲洗。吹干后，即可获得低粘附超疏水性。扫描电镜显示，钢表面存在由微米级水杉树叶状的银结构和纳米级的银叶及银颗粒组成的二元微纳米粗糙结构。水滴在其上的接触角达163.4°，滚动角仅为1.5°。

Claims (1)

1.一种在钢基体上制备低粘附超疏水表面的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将钢板进行抛磨，再清洗除油；所采用的钢板不能是不锈钢钢板；
(2)将处理干净的钢板浸泡在硫酸铜水溶液中不少于20s，使表面均匀地沉积一层铜；
(3)将沉积铜后的钢板浸泡在含氟硅烷的硝酸银水溶液中不少于2min，使表面均匀地沉积一层含氟硅烷的银，取出后用水冲洗，烘干后便可获得低粘附超疏水表面。
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