CN103212528A - 一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法 - Google Patents

一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，包括将金属钛表面用金相砂纸打磨平整，依次用蒸馏水、丙酮、乙醇超声清洗后晾干；将晾干后的金属钛置于温度900℃—1100℃的热处理炉中，加热15min—12h进行热氧化；热氧化结束后在空气中进行冷却，待冷却至室温，去除钛表面自发脱落的TiO2薄层，然后经蒸馏水超声清洗，除去钛表面残余氧化物，得到具有微纳米粗糙结构的钛表面；具有微纳米粗糙结构的钛表面浸泡于低表面自由能化学修饰剂溶液中1-12h，取出后在温度100℃-200℃干燥0.5-1h，得到超疏水薄膜。本发明工艺简单，可实现大面积或复杂形状超疏水表面的制备，且兼具超疏酸、超疏碱功能。

Description

一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理领域，特别涉及一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法。
背景技术
金属钛比强度高、稳定性好，具有良好的生物相容性，在航天航空、船舶、海洋工程、生物医学等领域均有重要应用，随着研究的深入，其应用也逐渐推广到化工工业及日用品工业等领域。
超疏水是一种特殊的表面浸润性，指的是固体表面与水滴的静态接触角大于150°，滚动角小于10°的性质。基于这种特性，超疏水表面具有自清洁、防腐蚀、防结冰、减摩减阻等功能。制备超疏水钛表面具有重要的应用价值，如应用于医用钛上可以降低血小板粘附并抑制其活化，提高血液相容性；应用于航空航天、船舶中可以减小航行阻力，提高航行速度等。特别的，钛在某些腐蚀性环境下，如与含氟化合物溶液接触，其耐腐蚀性能迅速下降，制备具有超疏酸、超疏碱功能的超疏水钛，无疑可为钛金属在日用制品、化工工业、海洋工程中的防腐蚀提供有效的途经，并扩大其应用领域，如腐蚀性溶液的无损运输等。
通常，超疏水表面制备可由构造微纳米粗糙结构和修饰低表面自由能物质来实现。近年来，科研工作者利用多种途经制备了不同的超疏水表面，而到目前为止，关于超疏水钛表面的制备还较少。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法；本发明的目的在于提供一种低成本、简便、安全、环保的方法，用于实现大面积或复杂形状的超疏水钛表面的制备，该方法制备的超疏水钛表面不仅性能稳定，而且同时具备超疏水、超疏酸和超疏碱的功能。
本发明采用如下技术方案：
一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一将金属钛表面用金相砂纸打磨平整，依次用蒸馏水、丙酮、乙醇超声清洗后晾干；
步骤二将晾干后的金属钛置于温度900℃—1100℃的热处理炉中，加热15min—12h进行热氧化；热氧化结束后在空气中进行冷却，待冷却至室温，去除钛表面自发脱落的TiO2薄层，然后经蒸馏水超声清洗，除去钛表面残余氧化物，得到具有微纳米粗糙结构的钛表面，所述残余氧化物是未自发脱落的TiO2薄层；
步骤三具有微纳米粗糙结构的钛表面浸泡于低表面自由能化学修饰剂溶液中1-12h，取出后在温度100℃-200℃干燥0.5-1h，得到超疏水薄膜。
所述步骤一中，金属钛厚度≥0.5mm。
所述步骤二中，金属钛在900℃的热处理炉中加热3h-12h进行热氧化。
所述步骤二中，金属钛在1000℃的热处理炉中加热1h-2h进行热氧化。
所述步骤二中，金属钛在1100℃的热处理炉中加热15min-1h进行热氧化。
所述步骤三中，低表面自由能化学修饰剂采用十八烷基三氯硅烷或全氟辛基三氯硅烷。
将纯水、正己烷滴到步骤二所得具有微纳米粗糙结构的钛表面，接触角为0°，呈现超双亲性。
将纯水、酸、碱滴到步骤三所制备的钛表面进行接触角测定，接触角均大于150°，滚动角小于10°；所用的酸为盐酸，所用碱为氢氧化钠，所用纯水、酸、碱的混合溶液pH值为1-14；在上述酸、碱溶液中浸泡一个月，钛表面未遭破坏，仍然保持良好的超疏性能；浸泡于pH值为1的氢氟酸溶液（对钛具有强腐蚀性）中，钛表面形成一层类似镜面的空气膜，完全不反应。
本发明的有益效果：
1、制备工艺简单，设备易得，容易操作，以金属钛为基底，只需经过热处理得到具有超双亲性质和微纳米粗糙结构的钛金属表面，再经过化学修饰可得到超疏水薄膜；
2、实现大面积或复杂形状超疏水表面的制备；
3、本发明在金属钛表面制备得到超疏水薄膜具有良好的耐热和耐酸碱腐蚀性，经低表面自由能化学物质修饰后，对纯水、酸、碱液滴的接触角均大于150°，同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱的特性，可有效抵抗氢氟酸等对钛具有强腐蚀性的溶液的破坏。
附图说明
图1为本发明具体实施例1获得的超双亲表面示意图；
图2为本发明具体实施例1获得的金属钛表面超疏水薄膜扫描电镜图；
图3为本发明具体实施例1获得的金属钛表面超疏水薄膜与水的接触角图；
图4为本发明具体实施例1获得的金属钛表面超疏水薄膜浸泡在pH值为1的氢氟酸溶液中形成镜面状空气膜图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一将厚度为0.5mm的金属钛板用金相砂纸打磨平整，依次用蒸馏水、丙酮、乙醇超声清洗后晾干；
步骤二将晾干后的金属钛置于热处理炉中，控制温度为1000℃，加热时间为1h进行热氧化；热氧化结束后在空气中进行冷却，待冷却至室温，去除表面自发脱落的TiO2薄层，经蒸馏水超声清洗，除去试样表面残余氧化物，得到具有微纳米粗糙结构的钛表面，且具有超双亲性质；所述残余氧化物为未自发脱落的TiO2薄层；
步骤三具有微纳米粗糙结构的钛表面浸泡于十八烷基三氯硅烷溶液中12h，取出后于100℃干燥0.5h，即可得到超疏水薄膜。
制备得到的金属钛表面在低表面自由能化学物质修饰之前呈超双亲性，如图1所示，修饰之后可得超疏水、超疏酸、超疏碱表面，对纯水、全pH值（pH=1-14）的腐蚀溶液液滴（盐酸和氢氧化钠溶液调节pH值）静态接触角大于153°。
如图2所示，扫描电子显微镜显示所获超疏水薄膜结构为纳米颗粒堆垒而成的珊瑚礁状复合结构，如图3所示，纯水在所获超疏水薄膜上的静态接触角可达166°，如图4所示，所获超疏水薄膜浸泡在对钛具有强腐蚀性作用的氢氟酸溶液（pH值为1）中形成镜面状空气膜而完全不反应。
实施例2
将步骤二中的热处理炉的温度控制为900℃，加热时间为3h进行热氧化，其余步骤与实施例1相同。
实施例2制备得到的金属钛表面在低表面自由能物质修饰之前呈超双亲性，之后可得超疏水、超疏酸、超疏碱表面，对纯水、全pH值（pH=1-14）的腐蚀溶液液滴（盐酸和氢氧化钠溶液调节pH值）静态接触角大于153°。
实施例3
步骤一将厚度为0.8mm的金属钛板用金相砂纸打磨平整，依次用蒸馏水、丙酮、乙醇超声清洗后晾干；
步骤二将晾干后的金属钛置于温度1100℃的热处理炉中，加热15min进行热氧化；热氧化结束后在空气中进行冷却，待冷却至室温，去除钛表面自发脱落的TiO2薄层，然后经蒸馏水超声清洗，除去钛表面残余氧化物，得到具有微纳米粗糙结构的钛表面，且具有超双亲性质，所述残余氧化物为未自发脱落的TiO2薄层；
步骤三将所得具有微纳米粗糙结构的钛表面浸泡于全氟辛基三氯硅烷溶液中1h，取出后于200℃干燥1h，即可得超疏水、超疏酸、超疏碱表面，对纯水、全pH值（pH=1-14）的腐蚀溶液液滴（盐酸和氢氧化钠溶液调节pH值）静态接触角大于150°。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一将金属钛表面用金相砂纸打磨平整，依次用蒸馏水、丙酮、乙醇超声清洗后晾干；
步骤二将晾干后的金属钛置于温度900℃—1100℃的热处理炉中，加热15min—12h进行热氧化；热氧化结束后在空气中进行冷却，待冷却至室温，去除钛表面自发脱落的TiO2薄层，然后经蒸馏水超声清洗，除去钛表面残余氧化物，所述残余氧化物为未自发脱落的TiO2薄层，得到具有微纳米粗糙结构的钛表面；
步骤三具有微纳米粗糙结构的钛表面浸泡于低表面自由能化学修饰剂溶液中1-12h，取出后在温度100℃-200℃干燥0.5-1h，得到超疏水薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，金属钛厚度≥0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，金属钛在900℃的热处理炉中加热3h-12h进行热氧化。
4.根据权利要求1所述的一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，金属钛在1000℃的热处理炉中加热1h-2h进行热氧化。
5.根据权利要求1所述的一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，金属钛在1100℃的热处理炉中加热15min-1h进行热氧化。
6.根据权利要求1所述的一种金属钛表面超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，低表面自由能化学修饰剂采用十八烷基三氯硅烷或全氟辛基三氯硅烷。
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