CN104032288A - 一类钛合金超疏水表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一类钛合金超疏水表面的制备方法属于金属材料表面处理领域，具体涉及一类原电池反应制备钛合金超疏水表面的方法。该方法将经过预处理的钛合金金属基体置于特定金属盐溶液中反应后，吹干，再用低表面能材料修饰，之后在烘箱中烘干。预处理工艺是先后分别用丙酮、无水乙醇或去离子水超声清洗钛合金金属基体表面。采用本发明所制备的钛合金表面具有优良的超疏水性，其表面的对水的接触角可达170°，滚动角在5°以下。本发明很好的解决了防水、防污和防腐问题，所需设备少，工艺简单，加工快速，特别是可大面积制备、对基材形状无要求等特点，在航空、航天、航海等工业领域有广泛的应用前景。

Description

一类钛合金超疏水表面的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料表面处理领域，具体涉及一类原电池反应制备钛合金超疏水表面的方法。

背景技术

超疏水表面指的是对水的接触角大于150°的表面，其拥有超强的斥水性能，水滴在这种表面上可以轻易滚动。超疏水表面因其自清洁、耐腐蚀、减阻、防结冰结霜、水油分离、抗生物粘附等诸多特性，在多个工业领域具有广泛应用潜力，尤其在军事、通讯、生物医学等领域被认为有巨大实用价值。钛合金具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，在航空、化工、运输、航海等许多工业中有着十分重要的应用。在钛合金材料表面制备超疏水表面，可以进一步提升其耐腐蚀性、降低与水流之间的摩擦阻力等，进一步提升钛合金的性能，对钛合金的大规模应用有实际价值和重要意义。

当前，金属基体上超疏水表面制备主要通过先构造表面微纳米粗糙结构，再用低表面能物质修饰。就钛或钛合金而言，通常由电化学方法制备表面粗糙结构。电化学方法一般是通过阳极刻蚀或阳极氧化制备粗糙结构，然后低表面能物质修饰制备超疏水表面。电化学方法的优点是受材料限制较小，易于产生粗糙结构，并且可控性较好。但由于电化学方法需要直流电源连续供电，所需设备较多且耗费大量电能。其受体积限制，不能直接进行大面积加工。而且电化学方法普遍加工时间较长。如徐文骥等人的中国专利号CN 102618913A，名称为“一种制备钛或钛合金超疏水表面的方法”公开了一种在NaCl或NaBr溶液中对钛或钛合金进行阳极刻蚀构建微纳米粗糙结构，氟硅烷修饰后制得超疏水表面的方法，该方法制备表面超疏水性能较好，但需要专门搭建反应平台，对阴极阳极位置也有较高要求，且其加工时间相对较长。

发明内容

本发明是为克服现有技术的不足,提供一类只需要烘箱、加工快速、可以进行大面积加工的方法来，通过将预处理的钛合金金属基体置于特定金属盐溶液中反应制备钛合金超疏水表面，以解决防水、防污和防腐问题。

本发明采用的技术方案是一类钛合金超疏水表面的制备方法，其特征在于，该方法将经过预处理的钛合金金属基体置于特定金属盐溶液中反应后，吹干，再用低表面能材料修饰，之后在烘箱中烘干；制备方法具体步骤如下：

1)预处理工艺为：先后分别用丙酮、无水乙醇或去离子水超声清洗钛合金金属基体表面，超声清洗时间为30-60s；再用稀氢氟酸去除表面氧化层；稀氢氟酸浓度为2wt.％，氢氟酸处理时间为5-60s；

2)将预处理后的钛合金金属基体置于特定金属盐溶液中，特定金属盐溶液指硝酸银溶液、硫酸铜溶液或乙酸铅溶液；硝酸银溶液的浓度为20mmol/L，硫酸铜溶液的浓度为50mmol/L，乙酸铅溶液的浓度为50mmol/L；预处理后的钛合金金属基体与金属盐溶液反应时间为60s，再吹干；

3)进行低表面材料修饰处理，把反应后的钛合金金属基体浸泡在质量分数为1％的氟硅烷无水乙醇溶液中，浸泡时间为120min；

4)在烘箱中烘干，将修饰处理后的钛合金金属基体放入120℃烘箱中烘烤15min，之后取出冷却至室温。

本发明的有益效果是基于原电池反应的制备方法对零件形状、表面形貌无特殊要求，且可以加工任意面积的表面；制备过程中所需设备少，仅需烘干设备，适用于一些不方便搭建大型设备的场合；并且只需一分钟就能得到超疏水表面所需要的微观粗糙结构，快捷高效。

附图说明

图1为制得的钛合金超疏水表面对水滴的水接触角示意图。θ和β分别为钛合金超疏水表面对水滴的接触角和滚动角，1-水滴、2-超疏水钛合金板。

图2为实施例1制得的钛合金超疏水表面放大5000倍的扫描电镜图。

图3为实施例2制得的钛合金超疏水表面放大5000倍的扫描电镜图。

图4为实施例3制得的钛合金超疏水表面放大5000倍的扫描电镜图。

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。

实施例1采用硝酸银溶液构建表面粗糙结构:

(1)将钛合金板切成20mm×30mm。先后用丙酮、无水乙醇或去离子水分别超声清洗钛合金金属基体表面30s，再用浓度为2wt.％稀氢氟酸浸泡钛合金金属基体30s以去除表面氧化层。

(2)然后，将预处理后的钛合金金属基体浸泡在20mmol/L浓度硝酸银溶液中，在室温下反应60s。

(3)将反应后的钛合金金属基体浸泡在质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中浸泡120min，然后取出后放入120℃烘箱中烘烤15min，取出样件冷却到室温，即得到钛合金超疏水表面。

图2为采用实施例1所制得的钛合金超疏水表面放大5000倍的场发射扫描电子显微镜照片，其表面为无规则分布的球状、块状颗粒物聚集体，大型聚集体大小为0.5-2μm，小型聚集体大小为10-200nm。测得该超疏水表面对水滴的接触角为170.8°，滚动角为2.6°左右。

实施例2采用硫酸铜溶液构建表面粗糙结构:

(1)将钛合金板切成20mm×30mm。先后用丙酮、无水乙醇或去离子水分别超声清洗钛合金金属基体表面30s，再用浓度为2wt.％稀氢氟酸浸泡钛合金金属基体5s以去除表面氧化层。

(2)然后，将预处理后的钛合金金属基体浸泡在50mmol/L浓度硫酸铜溶液中，在室温下反应60s。

(3)将反应后的钛合金金属基体浸泡在质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中浸泡120min，然后取出后放入120℃烘箱中烘烤15min，取出样件冷却到室温，即得到钛合金超疏水表面。

图3为采用实施例2所制得的钛合金超疏水表面放大5000倍的场发射扫描电子显微镜照片，其表面为无规则分布的球状、块状颗粒物聚集体，大型聚集体大小为1-2μm，小型聚集体大小为10-50nm。测得该超疏水表面对水滴的接触角为164.4°，滚动角为3.2°左右。

实施例3采用乙酸铅溶液构建表面粗糙结构:

(1)将钛合金板切成20mm×30mm。先后用丙酮、无水乙醇或去离子水分别超声清洗钛合金金属基体表面30s，再用浓度为2wt.％稀氢氟酸浸泡钛合金金属基体10s以去除表面氧化层。

(2)然后，将预处理后的钛合金金属基体浸泡在50mmol/L浓度乙酸铅溶液中，在室温下反应60s。

(3)将反应后的钛合金金属基体浸泡在质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中浸泡120min，然后取出后放入120℃烘箱中烘烤15min，取出样件冷却到室温，即得到钛合金超疏水表面。

图4为采用实施例3所制得的钛合金超疏水表面放大5000倍的场发射扫描电子显微镜照片，其表面为无规则分布的球状、块状颗粒物聚集体，大型聚集体大小为0.5-2μm，小型聚集体大小为50-500nm。测得该超疏水表面对水滴的接触角为160.4°，滚动角为4.6°左右。

Claims (1)

1.一类钛合金超疏水表面的制备方法，其特征在于，该方法将经过预处理的钛合金金属基体置于特定金属盐溶液中反应后，吹干，再用低表面能材料修饰，之后在烘箱中烘干；制备方法具体步骤如下：

1)预处理工艺为：先后分别用丙酮、无水乙醇或去离子水超声清洗钛合金金属基体表面，超声清洗时间为30-60s；再用稀氢氟酸去除表面氧化层；稀氢氟酸浓度为2wt.％，氢氟酸处理时间为5-60s；

2)将预处理后的钛合金金属基体置于特定金属盐溶液中，特定金属盐溶液指硝酸银溶液、硫酸铜溶液或乙酸铅溶液；硝酸银溶液的浓度为20mmol/L，硫酸铜溶液的浓度为50mmol/L，乙酸铅溶液的浓度为50mmol/L；预处理后的钛合金金属基体与金属盐溶液反应时间为60s，再吹干；

3)进行低表面材料修饰处理，把反应后的钛合金金属基体浸泡在质量分数为1％的氟硅烷无水乙醇溶液中，浸泡时间为120min；

4)在烘箱中烘干，将修饰处理后的钛合金金属基体放入120℃烘箱中烘烤15min，之后取出冷却至室温。