CN102677141A - 一种制备钛或钛合金超疏油表面的方法 - Google Patents

一种制备钛或钛合金超疏油表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备钛或钛合金超疏油表面的方法，其特征是将作为阳极的钛或钛合金和阴极平行对称放置，并通过导线与直流电源相连，然后将其放入电解液中，接通电源开始电化学刻蚀；加工过程中，电解液温度保持在50℃以上；所采用的电解液为NaBr水溶液；刻蚀完成后将钛或钛合金清洗，吹干；将得到的钛或钛合金表面用低表面能材料修饰，修饰后烘干，即得到钛或钛合金超疏油表面；所采用的低表面能材料包括氟硅烷或硬脂酸等长链脂肪酸。本发明具有简单，廉价，高效，可控性好等优点，特别是中性电解液的使用使得该方法更加安全，环保，在航空、航天、舰船等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种制备钛或钛合金超疏油表面的方法
技术领域
本发明属于金属表面处理领域，具体涉及一种电化学制备钛或钛合金超疏油表面的方法。
背景技术
超疏油表面是指油滴在其上的接触角大于150°的表面，其具有超疏水表面的所有优点，且性能更加优异，用途更加广泛。自然界中存在很多水接触角大于150°的超疏水表面，其中最为著名的是具有自清洁功能的“荷叶效应”。然而，当表面张力较小的油（如：十六烷）滴在超疏水表面时，油滴会立即铺展开并将超疏水表面污染。当超疏水表面被油污染时，这种自清洁效应就会消失。此外，自然界中尚未发现天然的固-气界面的超疏油表面。相比于超疏水表面，超疏油表面在基础理论研究和工业应用方面有着更高的潜在价值。它不但可以用于超疏水表面的应用场合，还可以用于油的传输和实现油环境下的自清洁。由于钛及钛合金具有耐热性好、比强度高、耐腐蚀等优良特性。因此，发明钛或钛合金超疏油表面制备方法，对航空、航天、舰船、兵器等工业发展有着极其重要的意义。
制备钛或钛合金超疏油表面一般需要两个步骤：一是对其表面进行粗糙化处理，构建微纳米粗糙结构；二是降低其表面能，常利用硅烷或长链脂肪酸等低表面能材料来修饰所获得的粗糙结构。Guittard等利用合成法制备了超疏油表面（H. Bellanger, T. Darmanin, andF. Guittard, Langmuir, 2012, 28, 186; T. Darmaninand F. Guittard, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7928.），然而方法中提及的合成步骤较为繁琐。Tian等利用电化学法沉积锥形纳米金结构制备了超疏油表面，但金的使用使得该方法成本较高，且该方法中用到了危险性较大的NaOH和HClO4溶液（Y. Tian, H. Liu, and Z. Deng, Chem. Mater. 2006, 18, 5820）。Jin等利用电化学三步法在钛表面构造出超疏油二氧化钛薄膜，先用氯化钠电解液构造钛表面微米级结构，再用NaOH和HNO3构造钛表面纳米级结构，最后构造二氧化钛超疏油薄膜（H. Kim, K. Noh, C. Choi, J. Khamwannah, D. Villwock, and S. Jin, Langmuir 2011, 27, 10191.）。然而，上述方法大多步骤较为繁琐，且成本较高，此外强酸强碱的使用会在较大程度上对环境造成污染。电化学刻蚀法具有高效，简单，可控性好等优点。使用电化学法构造超疏油表面所需的粗糙结构具有操作简单方便、加工时间短等优点。此外，相比上述制备钛或钛合金超疏油表面的方法，本发明使用中性电解液，避免强酸强碱溶液的使用，使得加工过程更加环保，操作人员更加安全，加工产物无污染。目前，采用中性电解液的电化学法制备钛或钛合金超疏油表面的方法尚无文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种安全、环保、加工过程简单且加工效率高的方法来制备钛或钛合金超疏油表面。为了解决上述技术问题，本发明提供构建钛或钛合金超疏油表面的工艺方法，包括如下步骤：
本发明包括如下步骤：
（1）将钛或钛合金清洗。
（2）将钛或钛合金作为阳极与阴极平行对称放置，并通过导线与直流电源相连，将钛或钛合金接电源正极，阴极接电源负极，然后将其放入电解液中，接通电源开始电化学刻蚀；加工过程中，电解液温度保持在50℃以上；所采用的电解液为NaBr水溶液；刻蚀完成后将钛或钛合金清洗，吹干。
（3）将步骤（2）加工得到的钛或钛合金表面用低表面能材料修饰，修饰后烘干，即得到钛或钛合金超疏油表面。
常用的低表面能材料是氟硅烷或长链脂肪酸，长链脂肪酸是指硬脂酸、月桂酸等。
本发明与现有的钛或钛合金超疏油表面制备技术相比具有以下优点：
（1）本发明采用中性电解液，无需强酸、强碱，反应过程中无刺激性气体产生，对操作人员和环境的危害小。
（2）本发明无需复杂的加工装置和操作步骤，且极易大面积制备。
（3）本发明得到的钛或钛合金超疏油表面具有较好的超疏油性能，对油的接触角大于150°，滚动角小于5°。
附图说明
图1为实施例1的加工装置示意图。
图2为实施例1获得的钛超疏油表面的扫描电镜图。
图3为实施例1获得的钛超疏油表面的扫描电镜图。
图4为实施例1获得的钛超疏油表面的扫描电镜图。
图5为实施例1获得的钛超疏油表面的疏油示意图，液滴为十六烷。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
（1）将钛板和阴极铜板切割成30 mm × 40 mm，实际加工面积为30 mm × 30 mm，其余部分用于装夹和导电。加工前，对钛板和阴极铜板依次使用无水乙醇和去离子水超声波清洗，吹干。
（2）将钛板和阴极铜板平行对称固定，两板间距为10 mm，两板通过导线与直流电源相连，钛板接电源正极，阴极铜板接电源负极；将两板放入盛有0.2 mol/L NaBr水溶液的烧杯中；烧杯下方放置加热器，保证NaBr水溶液的温度在50℃以上；接通直流电源，开始加工，电流密度为1.0 A/cm2，加工时间为10 min。
（3）加工完成后将钛板用去离子水清洗，吹干，最后将其放入配制好的质量分数为1%的氟硅烷乙醇溶液中，在室温下浸泡2 h后取出，放入烘箱中，在80℃下烘15 min，取出后在空气中冷却到室温，即可得到超疏油表面。将食用油，丙三醇，十六烷液滴滴在制备的钛或钛合金超疏油表面上，接触角都大于为150 °，滚动角小于2°。如果使用硬脂酸等长链脂肪酸来降低表面能时，接触角都会超过150 °。
实施例2
（1）将钛板和阴极铜板切割成30 mm × 40 mm，实际加工面积为30 mm × 30 mm，其余部分用于装夹和导电。加工前，对钛板和阴极铜板依次使用无水乙醇和去离子水超声波清洗，吹干。
（2）将钛板和阴极铜板平行对称固定，两板间距为10 mm，两板通过导线与直流电源相连，钛板接电源正极，阴极铜板接电源负极；将两板放入盛有0.2 mol/L NaBr水溶液的烧杯中；烧杯下方放置加热器，保证NaBr水溶液的温度在50℃以上；接通直流电源，开始加工，电流密度为2.0 A/cm2，加工时间为8 min。
（3）加工完成后将钛板用去离子水清洗，吹干，最后将其放入配制好的质量分数为1%的硬脂酸乙醇溶液中，在室温下浸泡2 h后取出，放入烘箱中，在80 ℃下烘15 min，取出后在空气中冷却到室温，即得到超疏油表面。将食用油，丙三醇，十六烷液滴滴在制备的钛或钛合金超疏油表面上，接触角都大于为150 °，滚动角小于2°。如果使用氟硅烷来降低表面能时，接触角都会超过150 °。
实施例3
（1）将钛板和阴极铜板切割成30 mm × 40 mm，实际加工面积为30 mm × 30 mm，其余部分用于装夹和导电。加工前，对钛板和阴极铜板依次使用无水乙醇和去离子水超声波清洗，吹干。
（2）将钛板和阴极铜板平行对称固定，两板间距为10 mm，两板通过导线与直流电源相连，钛板接电源正极，阴极铜板接电源负极；将两板放入盛有0.2 mol/L NaBr水溶液的烧杯中；烧杯下方放置加热器，保证NaBr水溶液的温度在50℃以上；接通直流电源，开始加工，电流密度为1.0 A/cm2，加工时间为10 min。
（3）加工完成后将钛板用去离子水清洗，吹干，最后将其放入配制好的质量分数为1%的月桂酸乙醇溶液中，在室温下浸泡2 h后取出，放入烘箱中，在80 ℃下烘15 min，取出后在空气中冷却到室温，即可得到超疏油表面。将食用油，丙三醇，十六烷液滴滴在制备的钛或钛合金超疏油表面上，接触角都大于150 °，滚动角小于2°。如果使用氟硅烷来降低表面能时，接触角都会超过150 °。

Claims (3)

1.一种制备钛或钛合金超疏油表面的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将钛或钛合金清洗；
（2）将钛或钛合金作为阳极与阴极平行对称放置，并通过导线与直流电源相连，将钛或钛合金接电源正极，阴极接电源负极，然后将其放入电解液中，接通电源开始电化学刻蚀；加工过程中，电解液温度保持在50℃以上；所采用的电解液为NaBr水溶液；刻蚀完成后将钛或钛合金清洗，吹干；
（3）将步骤（2）加工得到的钛或钛合金表面用低表面能材料修饰，修饰后烘干，即得到钛或钛合金超疏油表面。
2.如权利要求1所述的的方法，其特征在于，所采用的低表面能材料为氟硅烷或长链脂肪酸。
3.如权利要求1所述的的方法，其特征在于，长链脂肪酸为硬脂酸、月桂酸。
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