CN102634750B - 一种在金属基底上制备润湿性梯度表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，该方法为：通过使金属基体两端分别处于不同温度，其中高温温度不低于250oC，从而在金属基体表面引入温度梯度，使金属基体氧化并在表面形成形貌沿温度梯度方向连续变化的金属氧化物纳米薄膜，所得的金属氧化物纳米薄膜即为金属基体上的润湿性梯度表面。本发明简便易操作、对制作环境（在空气中即可实施）和基体材料无严格要求、且制作成本低廉；采用本发明方法所得的具有润湿性梯度表面的金属材料可用于制造冷凝管和冷凝器，可以提高冷凝管、冷凝器的效率，减少金属耗材成本。
Description
技术领域
本发明属于梯度表面材料领域，尤其涉及一种在金属基体上制备润湿性梯度表面的制备方法。
背景技术
润湿性梯度表面是一种组分、结构和润湿性等随空间连续变化或者阶梯变化的高性能材料，其在生物学（如蛋白质吸收，细胞吸附）、微流体器件、高热传导材料、微重力环境下的流体输送和聚合物薄膜等领域具有重要的应用。目前，在固体基面上形成具有润湿性梯度的方法有很多，如化学气相沉积法、微接触印刷法、光刻法等等，但是这些方法存在制作环境苛刻，对基底材料要求较高以及制作成本较高等缺陷，无法在工业领域大范围推广应用。不仅如此，到目前为止，还没有一种可以直接在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，现有技术均是现在金属基体上镀上一中间层，然后在中间层上制备润湿性梯度表面，制备工艺复杂，且制作成本较高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种简便的、可以直接在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法。
为了解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，该方法为：通过使金属基体两端分别处于不同温度，其中高温温度不低于250oC，从而在金属基体表面引入温度梯度，使金属基体氧化并在表面形成形貌沿温度梯度方向连续变化的金属氧化物纳米薄膜，所得的金属氧化物纳米薄膜即为金属基体上的润湿性梯度表面，所述的金属基体为铜、镍、锡、铅、铁、钴或银。本方法中的金属基体可以为板状、片状、线状或管状。
本方法中使金属基体两端分别处于不同温度的基体方法为：将金属基体一端浸泡在液体中，通过控制液体的温度来控制金属基体该端的温度，所述的液体的温度不高于100℃，另一端采用加热装置进行加热。所述的液体可以为水或酒精，所述的加热装置可以为酒精灯或电加热棒。
作为优选，在引入温度梯度前，可对金属基体表面进行打磨。
采用躺滴法测量金属基体上润湿性梯度表面的接触角，结果表明，采用本发明方法在金属基体上所制备的润湿性梯度表面沿温度梯度方向呈梯度变化，如图2所示。采用原子力显微镜表征金属基体上的润湿性梯度表面的形貌，结果表明，采用本发明方法所得到的润湿性梯度表面均为纳米级薄膜，其厚度在21～89nm范围内，且沿温度梯度方向呈梯度变化，如图3所示。根据上述测试结果，可以看出，采用本发明方法是可以直接在金属基体上制备出润湿性梯度表面。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明方法只需要在金属基体表面制造温差、就可实现金属基体上不同位置的不同氧化程度，即，在金属基体表面形成形貌沿温度梯度方向连续变化的金属氧化物纳米薄膜，本发明简便易操作、对制作环境（在空气中即可实施）和基体材料无严格要求、且制作成本低廉；
2、本发明方法对金属基体的形状无要求，在板状、片状、线状、管状等形状的金属基材上均可制备润湿性梯度表面；
3、采用本发明方法可以直接在金属基体表面上制备润湿性梯度表面，简化了制备工艺；
4、和现有的用于冷凝面的材料相比，采用本发明方法所得的具有润湿性梯度表面的金属材料可以较大程度地强化冷凝面的凝结，具体表现为凝结水量的提高。现有的冷凝管和冷凝器均采用金属材料，将本发明所得产品用于制造冷凝管和冷凝器，可以提高冷凝管、冷凝器的冷凝效率，减少金属耗材成本。
附图说明
图1为一种具体实施的实验示意图，其中，1为酒精灯外焰，2为金属基体，3为盛水的容器；
图2为水滴在实施例1所得润湿性梯度表面上的接触角变化示意图，图中，左端为低温端，右端为高温端；
图3为实施例1所得润湿性梯度表面上不同位置的原子力显微镜图片，其中，图（1）为实施例1所得润湿性梯度表面a位置的原子力显微镜图片，图（2）为实施例1所得润湿性梯度表面b位置的原子力显微镜图片，图（3）为实施例1所得润湿性梯度表面c位置的原子力显微镜图片，图（4）为实施例1所得润湿性梯度表面d位置的原子力显微镜图片，图（5）为实施例1所得润湿性梯度表面e位置的原子力显微镜图片；
图4为实施例1所得润湿性梯度表面a位置的X-射线衍射（XRD）图；
图5为实施例1所得润湿性梯度表面e位置的X-射线衍射（XRD）图；
图6为水滴在实施例3所得润湿性梯度表面上的接触角变化图，图中，左端为高温端，右端为低温端；
图7为水滴在实施例4所得润湿性梯度表面上的接触角变化图，图中，左端为高温端，右端为低温端；
图8为实施例5的实验示意图，其中，4为铜块，5为导热硅胶层，6为接水容器，7为半导体制冷片，8为电扇，9为散热片；
图9为实施例5中5种表面在1h时的相对凝结水量；
图10为实施例5中5种表面在2h时的相对凝结水量。
具体实施方式
本发明方法通过将金属基体两端处于两种不同温度中的方式，在金属基体表面引入温度梯度，使金属基体表面氧化，至金属基体表面形成稳定的色带后停止加热，经冷却，即在金属基体表面形成形貌沿温度梯度方向连续变化的金属氧化物纳米薄膜，所得的金属氧化物纳米薄膜即为金属基体上的润湿性梯度表面。作为优选，金属基体位于较高温度的一端（“较高温度的一端”简称为“高温端”）的温度不低于250oC，这样才能保证较短的制备周期。高温端可以采用酒精灯或电加热棒进行加热，也可以采用其他任何加热的设备或方法。金属基体位于较低温度的一端（“较低温度的一端”简称为“低温端”）可以置于各种沸点不高于100℃的液体中，当需要较低温度时也可以采用冰块、制冷设备（如半导体制冷片、压缩机等）来控制低温端的温度。
下面将结合实施例进一步阐述本发明的突出特点和显著进步，所提供的实施例仅在说明本发明而绝不限制本发明。
实施例1
将打磨好的紫铜片（长70mm、宽40mm、厚度0.5mm）的一端浸泡在20oC的水中，而另一端置于酒精灯外焰上，酒精灯外焰的温度约为500oC，实验示意图如图1所示。待2分钟后，紫铜片表面出现明显的颜色变化，从高温端到低温端，颜色由红色变化到紫色，形成一个完整的可见光带，待紫铜片表面颜色稳定后，将紫铜片取下置于空气中自然冷却，即在紫铜片表面制备了润湿性梯度表面。
采用躺滴法对本实施例所得润湿性梯度表面进行接触角测试，结果如图2所示，从图中可以看出，水滴的接触角沿基体长度方向呈梯度变化，即从右端到左端逐渐增大，右端的基体表面的液滴呈扁平状，接触角较小，为18°，该端为亲水端；而左端的基体表面的液滴呈珠状，接触角较大，为88°，该端为疏水端。
在本实施例所得润湿性梯度表面上从疏水端到亲水端取5个点：a、b、c、d、e，采用原子力显微镜表征上述5个点处的表面形貌，结果如图3 所示，从图中可以明显看出，在空气中经短暂氧化后，在紫铜基体表面形成了圆锥型的突起，突起的高度（即润湿性梯度表面的厚度）是从疏水端到亲水端逐渐增加，a点处的高度为21nm，b点处的高度为33nm，c点处的高度为46nm，d点处的高度为62nm，e点处的高度为89nm。
采用XRD对本实施例所得润湿性梯度表面的a和e点处进行成分分析，结果如图4和图5所示，从图中可以看出，本实施例产物的润湿性梯度表面的主要成分为Cu2O和Cu。
实施例2
将打磨好的铁片（长70mm、宽40mm、厚度0.5mm）的一端浸泡在20oC的水中，而另一端置于电加热棒上方，电加热棒的温度约250 oC，待1分钟后，铁片表面出现明显的颜色变化，从高温端到低温端，颜色由黑色变化到蓝色再变化到靛青色，待铁片表面颜色稳定后，将铁片置于空气中自然冷却，即在铁片表面制备了润湿性梯度表面。
实施例3
将打磨好的铜线（长50mm、直径2mm）的一端浸泡在20oC的水中，而另一端置于酒精灯外焰上，实验示意图如图1所示，酒精灯外焰的温度约为500oC，待2分钟后，铜线表面出现明显的颜色变化，从高温端到低温端，颜色由红色变化到紫色，形成一个完整的可见光带，待铜线表面颜色稳定后，将铜线取下置于空气中自然冷却，即在铜线表面制备了润湿性梯度表面。
采用躺滴法测量水滴在本实施例所得润湿性梯度表面上的接触角变化，如图6所示，从图中可以看出，接触角沿铜线长度方向呈梯度变化，即从高温端到低温端逐渐增大。
实施例4
将打磨好的铜管（长50mm、外径8mm、内径6mm）的一端浸泡在20oC的水中，而另一端置于酒精灯外焰上，实验示意图如图1所示，酒精灯外焰的温度约为500oC，待2分钟后，铜管表面出现明显的颜色变化，从高温端到低温端，颜色由红色变化到紫色，形成一个完整的可见光带，待铜管表面颜色稳定后，将铜管取下置于空气中自然冷却，即在铜管表面制备了润湿性梯度表面。
采用躺滴法测量水滴在本实施例所得润湿性梯度表面的接触角变化，如图7所示，从图中可以看出，接触角沿铜管长度方向呈梯度变化，即从高温端到低温端逐渐增大。
实施例5 凝结水量的测量
测量方法：
如图8所示，将导热硅胶紧密地贴在铜块4的与水平面成45°的倾斜表面上，得到导热硅胶层5，采用TEC1-12703T125型号的半导体制冷片7对铜块4的倾斜表面制冷，可通过调节半导体制冷片7两端电压来调节铜块4倾斜表面的温度，采用K型热电偶实时监控铜块4倾斜表面上的温度。本测量实验中，利用半导体制冷片7保持铜块倾斜表面温度为5.5±0.5℃，利用JYH-152型号恒温恒湿箱控制环境温度为20℃、相对湿度为90%。将待测产品紧贴在导热硅胶层5上，使待测表面朝上，水珠在待测表面上冷凝并长大，当长大到一定程度就会沿被测表面滑落到被测表面下方的接水容器6中，分别在测量1h和2h时利用Kern EG-N型号高精度电子天平称量接水容器6中水的重量，即得到凝结水量。图8为本测量实验示意图。
以下将采用上述方法测量5终不同表面（A-E）的凝结水量，用来证明本发明的优点：A表面为经P500、P1800砂纸打磨后的铜片表面；B表面为润湿性正梯度表面，即，将实施例1所得产物紧贴在导热硅胶上，并使该产物的润湿性梯度表面的疏水端在上、亲水端在下；C表面为润湿性反梯度表面，即，将实施例1所得产物紧贴在导热硅胶上，并使该产物的润湿性梯度表面的亲水端在上、疏水端在下；D表面为在导热硅胶上涂上一层蜡所形成的蜡表面，该蜡表面为疏水表面，接触角为110°；E表面为氧化铜表面，该表面为亲水表面，接触角≤30°。
将表面A-E的凝结水量分别除以表面A的凝结水量，即得到各表面的相对凝结水量。图9和图10分别为表面A-E在1h和2h的相对凝结水量对比图，由图中可以看出，润湿性正梯度表面B的凝结水量最大，而氧化铜表面E、润湿性反梯度表面C、蜡表面D的凝结水量都不及铜片表面A；另外，在测量1h后，润湿性正梯度表面B的凝结水量为润湿性反梯度表面C的1.29倍，在测量2h后，润湿性正梯度表面B的凝结水量减少为润湿性反梯度表面C的1.18倍。
从测试结果可以看出，与金属表面相比，润湿性正梯度表面具有更大的结水量，若将润湿性正梯度表面用于如电厂中冷凝器、空调系统中冷凝管、海水淡化系统中冷凝器等，可以提高冷凝器、冷凝管的效率，从而节约金属耗材的成本。
Claims (6)
1.一种在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，其特征在于：
通过使金属基体两端分别处于不同温度，其中高温温度不低于250℃，从而在金属基体表面引入温度梯度，使金属基体氧化并在表面形成形貌沿温度梯度方向连续变化的金属氧化物纳米薄膜，所得的金属氧化物纳米薄膜即为金属基体上的润湿性梯度表面，所述的金属基体为铜或铁。
2.根据权利要求1所述的在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，其特征在于：
所述的金属基体为板状、片状、线状或管状。
3.根据权利要求1或2所述的在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，其特征在于：
所述的使金属基体两端分别处于不同温度的具体方法为：
将金属基体一端浸泡在液体中，所述的液体的沸点不高于100℃，另一端采用加热装置进行加热。
4.根据权利要求3所述的在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，其特征在于：
所述的液体为水或酒精。
5.根据权利要求3所述的在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，其特征在于：
所述的加热装置为酒精灯或电加热棒。
6.根据权利要求1所述的在金属基体上制备润湿性梯度表面的方法，其特征在于：
在引入温度梯度前，对金属基体表面进行打磨。
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