CN102776502B - 一种铜基梯度接触角功能表面及其制备方法 - Google Patents
一种铜基梯度接触角功能表面及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种铜基梯度接触角功能表面及其制备方法，包括如下步骤：（1）将铜片置于清洗液中，浸泡清洗，得到干净铜片；（2）将2～15份碱性溶液A，0～10份氧化性溶液B和10～30份蒸馏水混合后，搅拌，得到溶液C；（3）将干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中滴加溶液C，保证在10～40分钟滴加完毕时，铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；（4）将预功能表面置于蒸馏水中清洗后干燥，得到铜基梯度接触角功能表面。铜基上的接触角能在95°(±3°)～5°(±3°)范围内呈连续梯度变化，制备方法简单易行，成本低廉；得到的梯度润湿表面具有良好耐水性和耐热性，进一步扩展了工程材料铜的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料领域，特别涉及一种用于赋予铜基表面具有接触角连续性变化特征的制备工艺。
背景技术
功能梯度材料是指材料的功能，如组分、结构、性能随空间或时间连续变化或阶梯变化的一种高性能材料。接触角是用来衡量材料表面润湿性的重要物理量，一般接触角越小，表面能越大。梯度接触角表面指材料表面接触角沿表面某个方向梯度连续性变化。铜作为一种功能材料，在传热、导电等工程领域展现出了广阔应用前景。然而，以铜为底材制备梯度接触角表面却鲜有报道，相关报道中，也是通过表面化学组成的改变对铜基表面的润湿性进行调控；如：D.B.Zhu等在《ChemPhysChem》（2005年第6卷第1475～1478页）发表的《Manipulation of surface wettability between superhydrophobicity andsuperhydrophilicity on copper films》（铜膜表面在超疏水和超亲水之间的润湿调控）文章中，报道了在具有微/纳米双微观结构的铜膜表面，通过脂肪酸对其表面的吸附，可以调控表面接触角，润湿性可以实现单调变化。此方法需要经过两步：第一步通过两步电沉积法，在基底表面实现具有荷叶结构的双微观表面；第二步在双微观表面通过不同链长的脂肪酸分子与铜之间的酸碱反应形成自组装层对表面进行修饰，链长的分子接触角高，链短的分子接触角低，以此改变表面接触角。此制备方法复杂，所需设备昂贵，限制了铜基接触角表面的进一步应用。另外，梯度润湿表面的耐水性及耐热性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种铜基梯度接触角功能表面，是以固-液界面氧化为基础，在铜底上制备出了具有一定润湿范围的梯度接触角表面。得到的梯度润湿表面具有良好耐水性和耐热性。
本发明另一目的在于提供上述铜基梯度接触角功能表面的制备方法，本发明方法简单易行，成本低廉。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种铜基梯度接触角功能表面的制备方法，包括如下步骤：
（1）将表面光滑平整的铜片置于清洗液中，浸泡清洗（一般10～30分钟），得到干净铜片；
（2）以质量份数计，将2～15份碱性溶液A，0～10份氧化性溶液B和10～30份蒸馏水混合后，搅拌，得到溶液C；
（3）将步骤（1）得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中滴加溶液C，保证在10～40分钟滴加完毕时，铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
（4）将步骤（3）得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗（一般2～3次）后，干燥，得到铜基梯度接触角功能表面。
优选地，步骤（2）所述碱性溶液A为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液中的一种以上；所述氧化性溶液B为过硫酸铵溶液、过硫酸钾溶液、过硫酸钠溶液和过氧化氢溶液中的一种以上。
优选地，步骤（2）所述碱性溶液A和氧化性溶液B的浓度均为0.01mol/L～10mol/L。
优选地，将步骤（4）制得的梯度接触角功能表面进一步处理：在80～100℃蒸馏水中加热1～4h，加热前后表面同一位置接触角差值≤10°。
优选地，步骤（1）中所述清洗液使用丙酮、乙醇和蒸馏水中的一种或依次使用两种以上。
优选地，步骤（2）中所述搅拌的转速为10～20转/分钟，时间5～10分钟。
优选地，步骤（4）所述干燥的温度为40～60℃。
上述方法制备的铜基梯度接触角功能表面，其梯度接触角连续性单调变化。
优选地，所述梯度接触角变化范围为95°±3°～5°±3°。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.所制备的功能表面具有梯度接触角连续单调变化的特征。
2.所制备的功能表面能够实现接触角在一定范围内的变化。
3.所制备的功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
4.所制备的功能表面直接以铜基为底材，扩大了工程材料铜的应用范围，为铜基梯度润湿表面在工程传热领域，如微热管相变传热的进一步应用打下了坚实基础。
5.本发明原料获取容易，制备方法简单易行，成本低廉，有利于进一步推广。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明详细的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。本发明所有接触角数据均采用拟合分析法测量。
实施例1
第一步，将表面光滑平整的铜片置于丙酮中，浸泡清洗15分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为1mol/L氢氧化钠溶液10克，1mol/L过硫酸铵溶液10克和蒸馏水15克混合后，以15转/分钟的转速搅拌7分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在30分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后，在50℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的7°增大到浸润时间短的95°；得到的梯度润湿表面在90℃的蒸馏水中加热2h后，接触角从7°增加到14°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例2
第一步，将表面光滑平整的铜片分别置于丙酮和乙醇中，依次浸泡清洗10分钟，共20分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为0.1mol/L氢氧化钾溶液5克，0.01mol/L过硫酸钠溶液2克和蒸馏水10克混合后，以10转/分钟的转速搅拌5分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在10分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后，在40℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的2°增大到浸润时间短的92°；得到的梯度润湿表面在80℃的蒸馏水中加热1h后，接触角从92°增加到98°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例3
第一步，将表面光滑平整的铜片分别置于乙醇和蒸馏水中，依次浸泡清洗12分钟，共24分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为3mol/L氢氧化钾溶液4克和浓度为5mol/L碳酸氢钠溶液9克，4mol/L过硫酸钾溶液3.5克和蒸馏水27克混合后，以14转/分钟的转速搅拌6分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在36分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后，在42℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的4°增大到浸润时间短的96°；得到的梯度润湿表面在100℃的蒸馏水中加热4h后，接触角从4°增加到12°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例4
第一步，将表面光滑平整的铜片分别置于丙酮和蒸馏水中，依次浸泡清洗7分钟，共14分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为7mol/L氢氧化钠溶液5克和浓度为6mol/L氢氧化钙溶液6克，蒸馏水20克混合后，以17转/分钟的转速搅拌8分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在32分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗3次后，在56℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的8°增大到浸润时间短的98°；得到的梯度润湿表面在85℃的蒸馏水中加热1.5h后，接触角从98°减小到90°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例5
第一步，将表面光滑平整的铜片分别置于丙酮和乙醇中，依次浸泡清洗6分钟，共12分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为4mol/L氢氧化钠溶液7克，0.4mol/L过硫酸钠溶液3克和2mol/L过硫酸铵溶液1克，蒸馏水24克混合后，以13转/分钟的转速搅拌6分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在17分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗3次后，在53℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的7°增大到浸润时间短的96°；得到的梯度润湿表面在95℃的蒸馏水中加热2.5h后，接触角从7°增加到17°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例6
第一步，将表面光滑平整的铜片置于乙醇中，浸泡清洗19分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为10mol/L碳酸氢钾溶液15克，8mol/L过硫酸铵溶液7克和7mol/L过硫酸钾溶液3克，蒸馏水15克混合后，以20转/分钟的转速搅拌10分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在40分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗3次后，在58℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的4°增大到浸润时间短的94°；得到的梯度润湿表面在88℃的蒸馏水中加热2.8h后，接触角从94°减小到84°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例7
第一步，将表面光滑平整的铜片分别置于丙酮、乙醇和蒸馏水中，依次浸泡清洗10分钟，共30分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为4mol/L碳酸钾溶液8克，0.6mol/L过氧化氢溶液4克和蒸馏水18克混合后，以13转/分钟的转速搅拌6分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在25分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗3次后，在55℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的4°增大到浸润时间短的92°；得到的梯度润湿表面在92℃的蒸馏水中加热2.4h后，接触角从92°减小到87°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例8
第一步，将表面光滑平整的铜片置于乙醇中，浸泡清洗18分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为8mol/L碳酸氢钠溶液5克和5mol/L氢氧化钾溶液9克，6mol/L过硫酸铵溶液5克和0.5mol/L过硫酸钠溶液4克，蒸馏水28克混合后，以17转/分钟的转速搅拌7分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在34分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后，在53℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的3°增大到浸润时间短的92°；得到的梯度润湿表面在93℃的蒸馏水中加热3.4h后，接触角从3°增加到11°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例9
第一步，将表面光滑平整的铜片依次置于丙酮、乙醇和蒸馏水中，依次浸泡清洗9分钟，共27分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为0.1mol/L氢氧化钾溶液10克和10mol/L碳酸钠溶液4克，0.05mol/L过硫酸钠溶液5克和9mol/L过硫酸钾溶液4克，蒸馏水29克混合后，以18转/分钟的转速搅拌9分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在38分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后，在48℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的6°增大到浸润时间短的97°；得到的梯度润湿表面在94℃的蒸馏水中加热1.4h后，接触角从97°增加到100°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例10
第一步，将表面光滑平整的铜片置于乙醇中，浸泡清洗24分钟，得到干净铜片；
第二步，将浓度为2mol/L氢氧化钠溶液8克和蒸馏水12克混合后，以20转/分钟的转速搅拌8分钟，得到溶液C；
第三步，将第一步得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中逐渐滴加溶液C，保证在27分钟滴加完毕时，干净铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
第四步，将第三步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗3次后，在40℃下干燥，干燥后，完成铜基梯度接触角功能表面的制备，接触角从浸润时间长的8°增大到浸润时间短的92°；得到的梯度润湿表面在80℃的蒸馏水中加热1h后，接触角从8°增加到18°，该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
Claims (8)
1.一种铜基梯度接触角功能表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将表面光滑平整的铜片置于清洗液中，浸泡清洗，得到干净铜片；
（2）以质量份数计，将2～15份碱性溶液A，0～10份氧化性溶液B和10～30份蒸馏水混合后，搅拌，得到溶液C；所述碱性溶液A为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液中的一种以上；所述氧化性溶液B为过硫酸铵溶液、过硫酸钾溶液、过硫酸钠溶液和过氧化氢溶液中的一种以上；
（3）将步骤（1）得到的干净铜片竖直放置于敞口容器中，并向容器中滴加溶液C，保证在10～40分钟滴加完毕时，铜片上沿刚好被溶液C完全浸润，得到预功能表面；
（4）将步骤（3）得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗后，干燥，得到铜基梯度接触角功能表面。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述碱性溶液A和氧化性溶液B的浓度均为0.01mol/L～10mol/L。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：将步骤（4）制得的梯度接触角功能表面进一步处理：在80～100℃蒸馏水中加热1～4h。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述清洗液用丙酮、乙醇和蒸馏水中的一种或依次用两种以上。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述搅拌的转速为10～20转/分钟，时间5～10分钟。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述干燥的温度为40～60℃。
7.一种由权利要求1～6任意一项方法制备的铜基梯度接触角功能表面，其特征在于：其梯度接触角连续性单调变化。
8.根据权利要求7所述的铜基梯度接触角功能表面，其特征在于：所述梯度接触角变化范围为95°±3°～5°±3°。
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