CN103640278A - 一种具有超疏水表面的铜片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有超疏水表面的铜片及其制备方法，步骤为：首先将铜片依次用无水乙醇、丙酮、去离子水超声清洗并烘干；然后将铜片浸泡在氢氧化钾、过硫酸铵混合溶液中，取出，用去离子水进行清洗，用氮气吹干；最后在0.001~0.004mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，10~30分钟后取出，用氮气吹干，得到具有超疏水表面的铜片。本发明从仿生学角度出发，提供的表面处理工艺方法，操作简单，无需复杂的化学处理，也不需要昂贵的设备，安全，加工时间短，成本低，可控性好，易于产业化。所获得的超疏水铜片表面具有良好的化学稳定性和环境稳定性，在液体无损输送、防腐、自清洁等领域有广泛的应用前景。

Description

一种具有超疏水表面的铜片及其制备方法
 
技术领域
本发明涉及一种超疏水材料技术领域，特别涉及超疏水表面的铜片及其制备方法。
背景技术
材料表面的润湿性取决于材料的表面化学性质和微观结构。所谓超疏水表面是指与水的接触角大于150°的表面，滚动角小于10°。由于其在防水、防雾、防雪、防污染、抗粘连、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等方面具有广泛的应用前景，受到材料科学研究者的广泛关注。
纯铜呈现紫红色，熔点约为1083.4℃，沸点2567℃，密度8.92g/cm3，具有热导率高、抗张强度大、易熔接、可塑性等优异特性。特别是金属铜具有良好的延展性和导电性，其导电性接近金和银，但价格比它们便宜很多，所以被广泛应用于电力、电缆、电讯工业以及日常生活中。在金属铜表面构建微纳米结构来制备超疏水多尺度表面，将赋予其更多的功能性，拓展金属铜的应用范围，势必具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。
从已有的研究制备超疏水铜表面的方法很多，如表面化学处理、表面物理处理、表面涂层技术、等离子表面处理技术等。这些措施比较繁琐、费时，往往需要特殊的制备过程以及对环境有毒污染等缺点，大大制约了金属表面的实际应用。因此，发明一种方便、高效、低成本的制备技术，制备出具有界面结合强度较高的超疏水铜表面是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有超疏水表面的铜片及其制备方法，其操作简单，无需复杂的化学处理，也不需要昂贵的设备，安全，加工时间短，成本低，可控性好，易于产业化。
本发明所述的一种具有超疏水表面的铜片，该铜片表面为下面管状、上面花状的复合结构，所述管状结构的直径为50~200nm，花状结构的直径为2~5μm。  
所述的花状结构为分级结构。
所述的铜片表面与水滴的接触角在170~175o之间，水滴在铜表面的滚动角小于5o。
所述铜片表面对pH在1~14范围内的液滴均呈现出良好的超疏水性能，其接触角大于160o。
所述铜片表面的超疏水性质稳定，在温度范围为5~35℃、相对湿度为20~60%的环境中放置一年，超疏水性质没有发生变化。
该铜片表面在等离子体处理与硬脂酸两个过程交替作用，实现超疏水与超亲水之间的可逆转换；等离子体处理的目的是，使上述超疏水铜表面的低表面能物质硬脂酸的碳链发生降解。
上述所述的具有超疏水表面的铜片的制备方法，包括以下步骤：
1）首先，将铜片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗5~10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铜片；
2）将步骤1）预处理好的铜片在浓度为1~4mol/L的氢氧化钾、浓度为氢氧化钾的1/15的过硫酸铵混合溶液中浸泡0.5~3小时，然后取出，用去离子水进行清洗，再用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铜片；
3）将步骤2）具有粗糙结构的铜片在浓度0.001~0.004mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，10~30分钟后取出，用氮气吹干，得到具有超疏水表面的铜片。
本发明的效果在于：
与现有技术相比，本发明从仿生学角度出发，提供的表面处理工艺方法，操作简单，无需复杂的化学处理，也不需要昂贵的设备，安全，加工时间短，成本低，可控性好，易于产业化。所获得的超疏水铜表面具有良好的化学稳定性和环境稳定性，在液体无损输送、防腐、自清洁等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1 为实施例1制备的超疏水铜片表面的接触角图；
图2 为实施例1制备的超疏水铜片表面的显微镜图。
具体实施方式
通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地解析本发明，但下述实施例并不是对本发明的限定。
实施例1：
本发明所述的一种具有超疏水表面的铜片的制备方法，具体步骤如下：
首先，将铜片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铜片；然后将上述预处理后的铜片浸入
浓度为1mol/L氢氧化钾、浓度为氢氧化钾的1/15的过硫酸铵混合溶液中浸泡2小时，取出，用去离子水进行清洗，再用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铜片；最后将上述具有粗糙结构的铜片在0.001mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，30分钟后取出，用氮气吹干，得到具有超疏水表面的铜片。
参见图1，采用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与水的接触角为173o，滚动角小于5o。
参见如图2，采用JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜对铜片表面形貌进行了观察，发现该铜片表面为下面管状结构与上面花状结构的复合结构。
采用OCAH200接触角测试仪测试 pH值为1的液滴与实施例1制备的铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与pH值为1的液滴的接触角为165o，滚动角小于5o。
采用OCAH200接触角测试仪测试 pH值为14的液滴与实施例1制备的铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与pH值为14的液滴的接触角为167o，滚动角小于5o。
将实施例1制备的具有超疏水表面的铜片在温度范围为10℃、相对湿度为60%的环境中放置一年，再用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与水的接触角为172o，滚动角小于5o。
将实施例1制备的铜片表面用空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该铜片表面与水的接触角为0o；将等离子体处理后的铜片表面置于0.001mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，30分钟后取出，用氮气吹干，再用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明，该铜片表面与水的接触角173o，滚动角小于5o。
实施例2：
本发明所述的一种具有超疏水表面的铜片的制备方法，具体步骤如下：
首先，将铜片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铜片；然后将上述预处理后的铜片浸入
浓度为2mol/L氢氧化钾、浓度为氢氧化钾的1/15过硫酸铵混合溶液中浸泡1小时，取出，用去离子水进行清洗，再用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铜片；最后将上述具有粗糙结构的铜片在0.002mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，20分钟后取出，用氮气吹干，得到具有超疏水表面的铜片。
采用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与水的接触角为175o，滚动角小于5o。
采用JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜对铜片表面形貌进行了观察，发现该铜片表面是下面管状结构与上面花状结构的复合结构。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为5的液滴与实施例2制备的铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与pH值为5的液滴的接触角均为172o，滚动角小于5o。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为12的液滴与实施例2制备的铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与pH值为12的液滴的接触角为170o，滚动角小于5o。
将实施例2制备的铜片表面在温度范围为35℃、相对湿度为30%的环境中放置一年，再用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与水的接触角为175o，滚动角小于5o。
将实施例2制备的铜片表面用空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该铜片表面与水的接触角为0o；将等离子处理后的铜片表面置于0.002mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，20分钟后取出，用氮气吹干，再用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明，该铜片表面与水的接触角175o，滚动角小于5o。
实施例3：
首先，将铜片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铜片；然后将上述预处理后的铜片浸入
浓度为4mol/L氢氧化钾、浓度为氢氧化钾的1/15的过硫酸铵混合溶液中浸泡0.5小时，取出，用去离子水进行清洗，再用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铜片；最后将上述具有粗糙结构的铜片在0.004mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，10分钟后取出，用氮气吹干，得到具有超疏水表面的铜片。
采用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与水的接触角为170o，滚动角小于5o。
采用JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜对铜片表面形貌进行了观察，发现该铜片表面是管状结构与上面花状结构的复合结构。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为3的液滴与实施例3制备的铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与pH值为3的液滴的接触角为168o，滚动角小于5o。
采用OCAH200接触角测试仪测试pH值为10的液滴与实施例3制备的铜片表面的润湿性，结果表明该铜片表面与pH值为10的液滴的接触角为169o，滚动角小于5o。
将实施例3制备的铜片表面在温度范围为25℃、相对湿度为40%的环境中放置一年，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明该铜片表面与水的接触角为170o，滚动角小于5o。
将实施例3制备的铜片表面用空气等离子体处理，功率为20瓦处理1分钟后，再用OCAH200接触角测试仪测试该铜片表面的润湿性，结果表明，该铜片表面与水的接触角为0o；将等离子处理后的铜片表面置于0.004mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，10分钟后取出，用氮气吹干，再用OCAH200接触角测试仪测试该表面的润湿性，结果表明，该铜片表面与水的接触角170o，滚动角小于5o。
本发明提供了一种具有超疏水表面的铜片及其制备方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。

Claims (6)

1.一种具有超疏水表面的铜片，其特征在于：该铜片表面为下面管状、上面花状的复合结构，所述管状结构的直径为50~200nm，花状结构的直径为2~5μm。 
2. 根据权利要求1所述的具有超疏水表面的铜片，其特征在于：所述的花状结构为分级结构。
3. 根据权利要求1所述的具有超疏水表面的铜片，其特征在于：所述的铜片表面与水滴的接触角在170~175o之间，水滴在铜表面的滚动角小于5o。
4. 根据权利要求1所述的具有超疏水表面的铜片，其特征在于：所述铜片表面与pH在1~14液滴的接触角大于160o。
5. 根据权利要求1所述的具有超疏水表面的铜片，其特征在于：所述铜片表面在等离子体处理与硬脂酸两个过程交替作用，实现超疏水与超亲水之间的可逆转换。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的具有超疏水表面的铜片的制备方法，具体步骤如下：
1）首先，将铜片依次浸入无水乙醇、丙酮超声清洗5~10分钟后取出，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到预处理好的铜片；
2）将步骤1）预处理好的铜片在浓度为1~4mol/L的氢氧化钾、浓度为氢氧化钾的1/15的过硫酸铵混合溶液中浸泡0.5~3小时，然后取出，用去离子水进行清洗，再用氮气吹干，得到具有粗糙结构的铜片；
3）将步骤2）具有粗糙结构的铜片在浓度0.001~0.004mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡，10~30分钟后取出，用氮气吹干，得到具有超疏水表面的铜片。
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