CN104726875A - 一种在钢材表面制备超疏水CuO膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在钢材表面制备超疏水CuO膜的方法，属于金属材料表面改性领域。本发明首先对钢材表面进行电沉积Cu处理，电沉积液是不含平整剂和光亮剂的酸性硫酸铜水溶液，在钢材表面形成非光滑的镀铜层；然后通过热液处理在该镀铜层表面形成了一层栗子花状的CuO膜；最后对含有CuO膜的试样进行氟化处理来降低其表面能；最终在钢材表面获得了超疏水功能的CuO膜，蒸馏水与该功能表面的接触角超过150°，滚动角小于10°。本方法具有易于实现、成本较低、基体形状不受限制等优点，适用于各种金属表面的优化改性。

Description

一种在钢材表面制备超疏水CuO膜的方法

技术领域

本发明涉及一种在钢基体表面制备超疏水CuO膜的方法，具体涉及对钢基体进行电沉积Cu处理、热液处理和低能修饰。

背景技术

随着“荷叶效应”的机理被揭示，润湿性也受到诸多研究者的广泛关注。润湿性是固体表面的重要特性之一，表面化学成分和几何形貌共同决定表面的润湿性。接触角是固体表面浸润性最直观的表征，当水滴与固体表面的接触角超过150°且滚动角小于10°时，就表现为超疏水性。具有超疏水性的表面存在许多潜在的用途：用于日常生活的钢制品表面防污防锈；用于管道运输可以减小液体的粘附力，提高运输效率；用于水上运输工具可以减小水的阻力从而提高行驶速度，减少能源的消耗等等；因此超疏水表面具有较好的应用前景和广泛的应用价值。

近年来，国内外许多研究人员公开了许多有关超疏水表面的制备技术，如：酸碱刻蚀法、等离子刻蚀法、气相沉积法、静电纺丝法、阳极氧化法等。总结发现，制备超疏水表面的方法大体可以归结为两种：一种是对具有粗糙结构的表面进行低能修饰，另一种是在表面能较低的材料上构建一定的粗糙结构，其中前者是较为常用的方法。但是，已报道的很多制备方法仍存在设备昂贵、工艺条件苛刻等问题，限制了这些方法的推广使用。

电镀技术常被用作金属表面防护和装饰加工手段，镀铜层作为阴极性镀层对基体金属有一定的机械保护作用。本专利打破电镀层传统的单一防护功能，通过电镀得到非光滑的镀铜层，且通过调节电镀参数得到合适的镀层表面微观形貌。结合热液处理在镀铜层上形成一层致密的CuO膜，同样通过调节工艺参 数得到合适的表面形貌。

本发明通过一系列简单的工艺过程，包括电沉积处理、热液处理和低能修饰，在钢基体上得到超疏水表面，开发了一种同时具有防护性和超疏水性的电镀层。同时，该方法的工艺过程简单，成本低，实用性较强，适合工业化生产，该方法也可应用到其他金属材料上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单的在钢材表面制备超疏水CuO膜的方法。

本发明的钢材表面上超疏水CuO膜是由电沉积处理、热液处理和低能修饰共同实现的。

本发明先在钢材表面进行电沉积Cu处理，得到一层非光滑的镀铜层；然后经过热液处理在镀铜层上形成栗子花状的微纳米结构的黑色CuO膜，表面形貌如图1所示，从而在钢材上得到微纳米复合结构的粗糙表面；最后经过低表面能物质的修饰得到超疏水表面。

一种在钢材表面制备超疏水CuO膜的方法，其特征在于该方法依次包括以下几个步骤：

1、将加工好的X90管线钢和纯铜试样用金相水砂纸打磨至2000#，并把打磨好的试样分别用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗5min；

2、将上述准备好的钢试样分别在碱洗液中(30g/L的NaOH、20g/L的Na₂CO₃、20g/L的Na₂PO₄、10g/L的Na₂SiO₃)除油15min(60℃)、在酸洗液(体积分数为10％的H₂SO₄水溶液)中酸洗活化10s(室温)，取出后大量水洗，快速干燥；

3、上述处理好的钢试样为阴极(实际工作面积为20×35×3mm，靠近打孔处的剩余部分用黑色绝缘胶带封住)，纯铜试样为阳极，在180-240g/L的CuSO₄ ﹒5H₂O和10-15g/L的浓H₂SO₄的组成的混合水溶液中进行电沉积处理，反应结束后用大量清水冲洗并用吹风机吹干。

4、将含有镀铜层的钢试样放入到KOH和(NH₄)₂S₂O₈混合水溶液中进行热液处理，反应结束后清洗、干燥。

5、将步骤4得到的试样放入到全氟辛酸无水乙醇溶液中浸泡一定的时间，取出后放入到培养皿中，在室温条件下晾干得到超疏水表面。

步骤1中所用的钢基体为X90管线钢。

步骤3中所述的电沉积参数包括：两个电极之间的距离约为2cm，电镀液温度为18-23℃，电流密度为3-11A/dm²，电沉积时间为20-50min。

步骤4中所述的热液处理是在1-3mol/L的KOH和0.04-0.14mol/L的(NH₄)₂S₂O₈混合水溶液进行的；其中，温度为30-80℃，处理时间为0.5-7h。

步骤5中所述的全氟辛酸无水乙醇浓度为0.005-0.02mol/L，浸泡时间为5-13天。

本发明经过电沉积Cu处理在钢基体上形成非光滑的镀铜层，且粗糙程度可以通过调节电镀参数来实现；然后经过热液处理在非光滑的镀铜层上形成一层栗子花状的CuO膜，且表面形貌可以通过热液处理条件来实现；最后用全氟辛酸无水乙醇溶液对上述得到的CuO膜进行低能修饰，得到超疏水表面。将蒸馏水滴到经化学修饰后的管线钢表面进行接触角测定，管线钢表面与水的接触角大于150°。

与现有的技术相比，本发明的主要优势为：

(1)易于实现。本发明采用的电沉积、热液处理和低能修饰复合法，表面的镀铜层对基体表面具有一定的机械保护作用，外加后续的热液处理和低能修饰形成的超疏水CuO膜进一步加强了对基体的保护。

(2)成本低。在整个制备过程中，不需要昂贵的设备和稀缺的原材料。

(3)对基体形状无要求。处理过程都在溶液中进行，对试样的形状和尺寸没有特殊要求，进而增加了本发明的推广使用性。

(4)所制得的超疏水表面也可推广到其他金属表面，因而适用范围较广、在工业和生活中具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例中X90管线钢表面的CuO膜的SEM图；

图2是水滴与X90管线钢上超疏水CuO膜的接触角，大小为154.12°，滚动角小于10°。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。

一种在钢材表面制备超疏水CuO膜的方法，依次由以下几个步骤完成：

1、将加工好的X90管线钢和纯铜试样用金相水砂纸打磨至2000#，并把打磨好的试样分别用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗5min并干燥；

2、将准备好的试样依次在60℃的碱洗液(30g/L的NaOH、20g/L的Na₂CO₃、20g/L的Na₂PO₄、10g/L的Na₂SiO₃)中除油15min，室温下，大量水洗后在酸洗液(体积分数为10％的H₂SO₄水溶液)中酸洗活化10s，取出后大量水洗，快速用吹风机吹干并快速进行下一步；

3、上述处理好的X90钢试样为阴极(实际工作面积为20×35×3mm，靠近打孔处的剩余部分用黑色绝缘胶带封住)，纯铜试样为阳极，在200g/L的CuSO₄﹒5H₂O和12g/L的浓H₂SO₄的水溶液进行电沉积，两电极之间的距离为2cm，电沉积温度为23℃，电流密度为5A/dm²，电沉积时间为30min，反应结束后快速大量水洗去除表面残留液体并用吹风机吹干，得到非光滑的镀铜层；

4、首先配置2.5mol/L的KOH和0.1mol/L的(NH₄)₂S₂O₈混合水溶液，然后将含有镀铜层的试样快速放入到上述配置好的混合溶液中进行热液处理，在60℃下处理5h，取出后大量水洗，干燥后得到栗子花状的CuO膜，表面形貌见图1；

5、将步骤4得到的试样放入到0.01mol/L的全氟辛酸无水乙醇溶液中浸泡7天，取出后放入到培养皿中，在室温条件下晾干得到超疏水表面；水滴在X90管线钢表面超疏水CuO膜接触角，大小为154.12°，见图2，滚动角小于10°。

Claims (5)

1.一种在钢材表面制备超疏水CuO膜的方法，其特征在于该方法依次包括如下步骤：

(a)对钢基体表面进行电沉积Cu处理，得到非光滑的镀铜层；(b)对表面含有镀铜层的试样进行热液处理，在钢材表面得到栗子花状的微纳米结构CuO膜；(c)将得到的含有CuO膜的试样进行低能修饰。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在所述的电沉积过程中，钢基体为阴极，纯铜块为阳极，反应结束后快速用大量清水冲洗并用吹风机吹干，接着快速进入下一步热液处理。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的电沉积溶液是180-240g/L的CuSO₄﹒5H₂O和10-15g/L的浓H₂SO₄组成的混合水溶液，电镀液温度为18-23℃，电流密度为3-11A/dm²，电沉积时间为20-50min，反应结束后用大量水冲洗并用吹风机吹干。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：热液处理是在1-3mol/L的KOH和0.04-0.14mol/L的(NH₄)₂S₂O₈混合水溶液进行的；其中，温度为30-80℃，处理时间为0.5-7h，反应结束后，镀铜层表面变成黑色的CuO膜，将试样取出并清洗、干燥。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：得到的含有CuO膜的试样放入到0.005-0.02mol/L的全氟辛酸无水乙醇溶液中浸泡5-13天，取出后放入培养皿中，在室温条件下晾干得到超疏水表面。