CN102643967B - 一种钢材仿生多尺度超疏水功能表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢材仿生多尺度超疏水功能表面的制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。现有金属材料疏水功能表面的制备方法，大多设备昂贵，操作麻烦，限制了其推广应用。本发明首先将钢材表面进行喷丸或抛丸处理，形成粗糙的表面，同时使表层晶粒细化、晶界及微观缺陷增多；然后采用盐酸溶液对该表面进行化学刻蚀，通过酸液对晶界及微观缺陷部位的优先刻蚀进一步细化表面形貌的微观细节；最后对其进行低能化修饰，在材料表面上获得仿生多尺度疏水功能。水滴在该仿生表面上接触角超过150°，达到超疏水程度。该方法工艺简单，易操作，不受基体形状的限制，易于工业化生产。

Description

一种钢材仿生多尺度超疏水功能表面的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及对钢材表面进行喷丸处理、化学刻蚀及低能化修饰，从而使钢材表面获得仿生多尺度疏水功能的方法。 

背景技术

疏水表面具有广阔的应用前景。研究表明，将疏水表面应用在玻璃、陶瓷、混凝土等建筑材料上，可以使材料具有自清洁功能。将疏水表面用于纺织品，可以产生防水防污和自清洁的效果；将疏水表面用于金属材料，可以产生自清洁、防腐蚀、降低摩擦系数的效果；将疏水表面用于船舶、舰艇的外壳或管道的内壁，可以降低它们与水流之间的摩擦阻力，减少能量损耗。 

研究发现，荷叶表面疏水自洁的特性是由表面上微纳米多尺度结构及具有低表面自由能的表面蜡状物共同引起的。本专利从天然疏水生物材料得到灵感，在金属材料表面开发制备具有多尺度结构的低能疏水功能表面。 

关于金属表面疏水疏油功能表面的制备技术，近年来成为国内外材料领域研究的热点之一。涉及的金属基体有铝、铜、锌、玻璃和钢材，其中以铝合金为基体的研究较多，在钢材表面制备疏水疏油功能表面的研究则较少。通常制备疏水性的表面的主要途径是先在材料表面上形成大的粗糙度，然后使用低表面能的物质修饰该粗糙表面。目前，制备粗糙表面的方法有很多，如光刻技术、电沉积技术、化学刻蚀、阳极氧化技术等。这些方法尽管都能得到疏水疏油性能，但往往需要昂贵的设备，操作过程也比较麻烦，增加了制造成本，限制了其推广应用。 

喷砂(抛丸)技术近年来也被用于制备金属材料仿生疏水表面，其目的是形成微米级的粗糙表面，如粟常红等将铝片进行喷砂粗糙化处理，然后植入纳米二氧化硅，氟化并烘干后，表面具有了疏水性(粟常红，肖怡，崔喆，刘承果，王庆军，陈庆民。一种多尺度仿生疏水表面的制备。无机化学学报，2006，22(5)：785-788)；再如张友法等对钢片表面进行高能喷丸微米处理后，再进行氟化处理，得到疏水表面(张友法，余新泉，周荃卉，李康宁。超疏水钢表面的制备及其抗结霜性能。东南大学学报(自然科学版)，201O，40(6)：1318-1322)。这两项科研成果，用到的是喷砂(抛丸)处理技术的一个侧面，即形成微米级的粗糙表面，在此表面上再附着纳米材料并氟化处理或直接进行氟化处理。实际上，采用喷丸或抛丸技术对金属材料表面进行处理还能使材料表层一定深度内晶粒细化，甚至纳米化，晶界大大增多。对此加以利用，制备更加细微的表面粗糙结构，会开发一条仿生多尺度疏水疏油表面制备方法的一个新途径。 

本发明通过一系列简单的操作过程在钢材表面构建多尺度微细结构，并进行低能修饰，形成疏水表面，工艺过程简单，成本低，实用性强，适合工业化生产。 

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行的在钢材表面制备仿生多尺度微纳结构、经低能化处理进而获得疏水功能表面的方法。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是： 

1)采用工业用的喷丸或抛丸机对钢材试样表面进行喷丸或抛丸处理，所用弹丸为直径0.5-1.5mm的不锈钢丸，喷丸或抛丸时间为1-3分钟； 

2)配制浓度为2-1Omol/L的盐酸溶液，将步骤1)喷丸或抛丸处理的钢材试样浸入该盐酸溶液中，使钢材试样与盐酸溶液反应，反应时间为3-8小时，反应后取出，放入去离子水中，用超声波清洗仪清洗干净并用吹风机吹干。经过以上处理，得到的试样微观表面上具有许多微米级凸起，在微米级的凸起上又分布着更小的纳米级的凸起，如图1所示，使钢材表面具有了形成疏水表面所需的微纳米结构。 

3)用无水乙醇配制浓度为0.1-0.5mol/L的十四烷酸溶液，将步骤2)处理的钢材试样置入十四烷酸溶液中，使试样与十四烷酸溶液发生反应，反应时间为1-8天，然后取出，在空气中自然干燥20分钟后，放入电热恒温鼓风干燥箱中干燥，使表面上形成一个低自由能涂层，以便疏水表面的形成。 

经过以上处理，钢材试样表面具有了疏水功能。 

本发明的有益效果是： 

1.多尺度微纳米微细结构直接在材料表面形成，不需要外植纳米材料； 

2.由于采用喷丸或抛丸技术对钢材表面进行处理，使材料表层晶粒细化，晶界增多，经化学刻蚀后，表面结构比单纯化学刻蚀更细微，达到纳米级水平； 

3.本发明所述方法操作过程简单，对实验条件要求低，不受基体形状的限制，适合于工业化生产； 

4.本发明所述方法不但可用于钢材，也可推广到其他金属材料。 

本发明的疏水功能表面在很多领域都有良好的应用前景。本发明的疏水表面具有不沾水的特性，可用于金属表面的自清洁和防腐，还可用于水中运输工具，如船舶的外壳或管道内壁，从而减少水的阻力和摩擦，降低能源消耗，也可在防冰灾、防雪灾中得到应用，因与水接触角大、接触面积小、不易冻结，用在卫星天线表面上、输电电缆和铁塔表面上，可明显减少或消除冰雪的附着，降低冰雪对通信及电力设施的造成的重力负荷，对防灾减灾有重要意义。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

图1是X70管线钢仿生多尺度表面形貌。 

图2是水滴在X70管线钢仿生多尺度表面上的润湿角，润湿角为153.52°，滚动角小于5°。 

具体实施方式

采用工业用的喷丸机对X70管线钢试样表面进行喷丸处理，钢丸粒径为0.9mm，喷丸处理时间为2分钟。 

配制浓度为6mol/L的盐酸溶液，将喷丸处理的X70管线钢试样放入盐酸溶液中进行化学刻蚀，刻蚀时间为320分钟，反应后取出，放入去离子水中，用超声波清洗仪清洗干净并用吹风机吹干。经过以上处理，试样的表面形成了大量直径约为1μm的“珊瑚”状结构，在每个“珊瑚”状结构上，均匀分布着纳米级微细的层状和蠕虫状结构，这两种结构共同形成了微纳多尺度结构，如图1所示，使钢材表面具有了形成疏水表面所需的微纳米结构。 

用无水乙醇配制浓度为0.1mol/L的十四烷酸溶液，将经过化学刻蚀处理的X70管线钢试样置入十四烷酸溶液中，使试样与十四烷酸溶液发生反应，反应时间为3天，然后取出，在空气中自然干燥20分钟后，放入电热恒温鼓风干燥箱中干燥，使表面上形成一个低自由能涂层，以便疏水表面的形成。将水滴滴在该多尺度表面上，发现水滴几乎呈球状，经测定水滴与该多尺度表面结构间的润湿角为153.52°，滚动角小于5°，具有超疏水的功能，如图2所示。 

Claims (1)

1.一种钢材仿生多尺度超疏水功能表面的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：1)将钢材表面喷丸或抛丸处理，获得微米级粗糙结构，并细化晶粒，增加晶界面积，表面喷丸或抛丸处理采用直径为0.5-1.5mm的不锈钢丸；2)将表面喷丸或抛丸处理后的钢材在盐酸溶液中进行化学刻蚀，盐酸溶液浓度为2-10mol/L，钢材与盐酸溶液反应时间为3-8小时，以获得纳米级更微细的表面结构，取出后清洗干净；3)将化学刻蚀后的钢材在浓度为0.1-0.5mol/L的十四烷酸乙醇溶液中进行低能化处理，钢材与十四烷酸乙醇溶液反应1-8天后，取出并干燥，得到具有超疏水性质的功能表面。