CN105256342A - 一种基于铜的超疏水表面及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铜的超疏水表面及其制备方法。所述制备方法首先将冲裁所得铜块进行打磨至表面平整，再进行表面除油以及表面去锈处理。而后用直流电源对铜块表面镀锌；将镀锌铜块在还原气氛保护炉中低温烧结，冷却后进行脱合金处理，得到具有纳米多孔表面结构的铜表面；再以此具有纳米多孔表面结构的铜表面作为基体进行修饰，即得所述基于铜的超疏水表面。本发明所述方法所得的超疏水表面相较于普通化学沉积修饰所得的超疏水表面，结构与性能更加稳定；也具有较高的疏水性，再者本发明的成本低廉，生产效率高，易于实现工业化，可对大面积形状特殊或复杂的铜零部件表面进行超疏水改性。能有效的控制铜表面的表面能。
Description
技术领域
本发明属于超疏水材料的制备领域，具体涉及一种基于铜的超疏水表面及其制备方法。
背景技术
浸润性是固体表面的重要特征之一，而超疏水性能为其中的一种表现方式。通常提高物体表面疏水性的方法有两种：一是改变物体表面的微观物理结构，降低表面能。二是改变物体表面的化学组成，如用低表面能的物质对物体表面进行修饰。
自然界中存在着很多超疏水现象，许多动植物，如荷叶、水稻叶、蝉翼和水龟腿表面具有超疏水现象。超疏水表面一般指与水的静态接触角大于150°的表面。具有超疏水性质的金属表面以其自清洁、抗氧化、抗腐蚀、流动减阻及微流体无损输送等方面的潜在应用价值受到科学界的广泛关注。同时，超疏水表面对于宏观尺度水滴带来的覆冰具有明显抑制作用。它能延缓结冰时间、减少覆冰量、降低冰块与固体表面的粘附。
铜作为在电器、建筑工业、轻工业、机械制造、国防工业等领域被广泛使用的金属材料，在很多应用下要求铜基表面具有超疏水性能。目前现有的制备超疏水铜基表面的方法通常处理工序较为复杂、成本高、对环境也有一定的影响，且目前较为普遍的通过沉积修饰而得的超疏水铜表面结构并不稳定，易脱落。因此研发出工序简单，成本低且结构较为稳定的超疏水铜表面制作方法具有重大的意义。
发明内容
针对目前金属铜基体上制备超疏水表面方法存在的处理工序多，成本高且所得超疏水铜表面结构性能不稳定的问题，本发明提供了一种成本较低且所得超疏水结构性能较为稳定，易于实现工业化的基于铜的超疏水表面及其制备方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其包括如下步骤:
（1）铜片预处理：使用不同梯度砂纸将铜片打磨，至表面光滑，再经超声波清洗去除表面残留的磨削，获得初步粗化表面微结构；
优选的，所述打磨砂纸梯度为：600cw、800cw、1000cw与1500cw；
优选的，所述超声波清洗时间为5min。
（2）电镀预处理：在常温常压下，先将步骤（1）所得实验铜片以及电镀所需锌片进行碱洗，去除表面油污。取出后再经去离子水清洗，去除表面残余碱液，而后再对其进行酸洗处理，去除表面氧化层。再用去离子水进行清洗，便可得到清洁的铜片和锌片；
优选的，所述碱洗溶液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为100g/L~140g/L；
优选的，所述铜片置于氢氧化钠溶液中进行碱洗的时间为10~15分钟；
优选的，所述锌片于氢氧化钠溶液中清洗的时间为10~15分钟；
优选的，所述酸洗溶液为稀硫酸溶液，稀硫酸溶液浓度为：5wt%；
优选的，所述铜片于稀盐酸中洗涤的时间为8~10分钟；
优选的，所述锌片于稀盐酸中清洗的时间为10秒。
（3）表面镀锌：将步骤（2）所述电镀预处理后的铜片和锌片置于电镀盒中，加入电镀液，并将电镀盒放入恒温水浴箱中，以得到恒温的实验环境；以锌片为阳极，以铜片为阴极，分别连接直流电箱的输出正/负极，调节参数静置电镀；电镀结束后将铜片取出用去离子水清洗并干燥，即得表面镀锌铜块；
优选的，所述电镀液为镀锌电镀液；
优选的，所述恒温水浴箱设定的温度为30℃~40℃；
优选的，所述电镀的参数调节为：电流密度为20~30mA/cm2，电镀时间为15~20分钟。
（4）低温烧结：将电镀完成的铜片放入还原气氛保护炉中低温烧结；
优选的，所述低温烧结的温度为150~200℃，烧结时间为2小时。
（5）脱合金处理：将低温烧结后的铜片随炉冷却，然后取出置于脱合金腐蚀溶液中进行脱合金处理，至表面完全变黑后取出铜片，最后用去离子水清洗并干燥，所得产物即为所述具有纳米多孔表面结构的铜片；
进一步地，所述脱合金腐蚀溶液为稀硫酸溶液或氢氧化钠溶液，稀硫酸溶液浓度为3wt%~10wt%，氢氧化钠溶液浓度为100g/L~180g/L；所述表面完全变黑后取出铜片为脱合金腐蚀的终止时间，根据腐蚀溶液的选择及浓度的不同，腐蚀时间为8h~24h；
优选的，所述脱合金腐蚀溶液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为100g/L~140g/L；
优选的，所述脱合金处理的时间为12~24小时。
（6）修饰处理：将上述所得具有纳米多孔表面结构的铜片在常温常压下置于预先配置好的修饰溶液中静置修饰，将疏水化合物修饰在其表面，即得超疏水铜表面；
进一步地，所述的修饰溶液为硬脂酸酒精溶液，溶液浓度为4~8mmol/L；所述的修饰时间根据硬脂酸酒精溶液的浓度不同，修饰时间为8~18h
优选的，所述修饰溶液为硬脂酸酒精溶液，所述的硬脂酸酒精溶液的浓度为：5~8mmol/L；
优选的，所述修饰时间为：8~12小时。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）由于本发明中修饰对象为带有多孔结构的铜基体本身，而普通化学沉积修饰方法的修饰对象为沉积于铜表面的铜化合物，由于沉积物质本身附着的不稳定性导致修饰后的铜表面极易脱落，因此本发明与现有的普通化学沉积修饰方法相比所得的超疏水表面，结构与性能更加稳定；
（2）本发明所制备的超疏水表面具有很高的疏水性，接触角能达到158°以上；
（3）本发明的成本低廉，工艺可控，实施过程简单，因此生产效率高，易于实现工业化，且可大面积对形状特殊或复杂的铜零部件表面进行超疏水改性。
附图说明
图1是实施例1制备的基于铜的超疏水表面的静态接触角照片，液滴体积为4微升。
图2是实施例1制备的基于铜的超疏水表面的SEM图。
图3是实施例1制备的基于铜的超疏水表面的SEM图。
图4是实施例2制备的基于铜的超疏水表面的静态接触角照片，液滴体积为4微升。
图5是实施例2制备的基于铜的超疏水表面的SEM图。
图6是实施例2制备的基于铜的超疏水表面的SEM图。
图7是实施例3制备的基于铜的超疏水表面的静态接触角照片，液滴体积为4微升。
图8是实施例4制备的基于铜的超疏水表面的静态接触角照片，液滴体积为4微升。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：（1）铜片预处理：实验铜片为20mm*20mm*2mm铜片，使用600cw、800cw、1000cw、1500cw的砂纸依次将铜片打磨，至表面光滑，再经超声波清洗5min去除表面残留的磨削，获得初步粗化表面微结构。
（2）电镀预处理：在常温常压下，先将实验铜片以及电镀所需锌片用120g/L的氢氧化钠碱洗10min，去除表面油污。取出后再经去离子水清洗，去除表面残余碱液，而后再用5wt%的稀硫酸酸洗处理，铜片酸洗10min，锌片酸洗10s。去除表面氧化层。再用去离子水进行清洗，便可得到清洁的铜片和锌片。
（3）表面镀锌：将电镀预处理后的铜片和锌片置于电镀盒中，加入电镀液，并将电镀盒放入恒温水浴箱中，调节温度为30℃，以得到恒温的实验环境；以锌片为阳极，以铜片为阴极，分别连接直流电箱的输出正/负极，调节直流电流为80mA，电镀时间为20min；电镀结束后将铜片取出用去离子水清洗并干燥，即得表面镀锌铜块。
（4）低温烧结：将电镀完成的铜片放入还原气氛保护炉中低温烧结，烧结温度为150℃，烧结时间为2小时；
（5）脱合金处理：将低温烧结后的铜片随炉冷却，然后取出置于120g/L的NaOH溶液中进行脱合金处理，处理时间为16小时至表面完全变黑后取出铜片，最后用去离子水清洗并干燥，所得产物即为所述具有纳米多孔表面结构的铜片。
（6）修饰处理：将上述所得具有纳米多孔表面结构的铜片在常温常压下置于预先配置好的5mmol/L的硬脂酸酒精溶液中静置修饰8小时，将疏水化合物修饰在其表面，即得超疏水铜表面。图1为所得超疏水铜片的静态接触角测量图片，在测试液滴体积为4微升下，测量得静态接触角为157.5°。图2及图3所示为所得超疏水铜表面的微观结构SEM图，图中铜表面不规则线状凸起为硬脂酸与脱合金所得纳米多孔铜基体反应产物，硬脂酸铜。
实施例2：（1）铜片预处理：实验铜片为20mm*20mm*2铜片，使用600cw、800cw、1000cw、1500cw的砂纸依次将铜片打磨，至表面光滑，再经超声波清洗5min去除表面残留的磨削，获得初步粗化表面微结构。
（2）电镀预处理：在常温常压下，先将实验铜片以及电镀所需锌片用100g/L的氢氧化钠碱洗15min，去除表面油污。取出后再经去离子水清洗，去除表面残余碱液，而后再用5wt%的稀硫酸酸洗处理，铜片酸洗8min，锌片酸洗10s。去除表面氧化层。再用去离子水进行清洗，便可得到清洁的铜片和锌片。
（3）表面镀锌：将电镀预处理后的铜片和锌片置于电镀盒中，加入电镀液，并将电镀盒放入恒温水浴箱中，调节温度为30℃，以得到恒温的实验环境；以锌片为阳极，以铜片为阴极，分别连接直流电箱的输出正/负极，调节直流电流为100mA，电镀时间为20min；电镀结束后将铜片取出用去离子水清洗并干燥，即得表面镀锌铜块。
（4）低温烧结：将电镀完成的铜片放入还原气氛保护炉中低温烧结，烧结温度为150℃，烧结时间为2小时；
（5）脱合金处理：将低温烧结后的铜片随炉冷却，然后取出置于140g/L的NaOH溶液中进行脱合金处理，处理时间为14小时至表面完全变黑后取出铜片，最后用去离子水清洗并干燥，所得产物即为所述具有纳米多孔表面结构的铜片。
（6）修饰处理：将上述所得具有纳米多孔表面结构的铜片在常温常压下置于预先配置好的5mmol/L的硬脂酸酒精溶液中静置修饰12h，将疏水化合物修饰在其表面，即得超疏水铜表面。图4为所得超疏水铜片的静态接触角测量图片，在测试液滴体积为4微升下，测量得静态接触角为158.5°。图5及图6所示为所得超疏水铜表面的微观结构SEM图，图中铜表面不规则线状凸起为硬脂酸与脱合金所得纳米多孔铜基体反应产物，硬脂酸铜。
实施例3：（1）铜片预处理：实验铜片为20mm*20mm*2铜片，使用600cw、800cw、1000cw、1500cw的砂纸依次将铜片打磨，至表面光滑，再经超声波清洗5min去除表面残留的磨削，获得初步粗化表面微结构。
（2）电镀预处理：在常温常压下，先将实验铜片以及电镀所需锌片用140g/L的氢氧化钠碱洗10min，去除表面油污。取出后再经去离子水清洗，去除表面残余碱液，而后再对其用5wt%的稀硫酸酸洗处理，铜片酸洗10min，锌片酸洗10s。去除表面氧化层。再用去离子水进行清洗，便可得到清洁的铜片和锌片。
（3）表面镀锌：将电镀预处理后的铜片和锌片置于电镀盒中，加入电镀液，并将电镀盒放入恒温水浴箱中，调节温度为30℃，以得到恒温的实验环境；以锌片为阳极，以铜片为阴极，分别连接直流电箱的输出正/负极，调节直流电流为100mA，电镀时间为15min；电镀结束后将铜片取出用去离子水清洗并干燥，即得表面镀锌铜块。
（4）低温烧结：将电镀完成的铜片放入还原气氛保护炉中低温烧结，烧结温度为200℃，烧结时间为2小时；
（5）脱合金处理：将低温烧结后的铜片随炉冷却，然后取出置于100g/L的NaOH溶液中进行脱合金处理，处理时间为24小时至表面完全变黑后取出铜片，最后用去离子水清洗并干燥，所得产物即为所述具有纳米多孔表面结构的铜片。
（6）修饰处理：将上述所得具有纳米多孔表面结构的铜片在常温常压下置于预先配置好的8mmol/L的硬脂酸酒精溶液中静置修饰8h，将疏水化合物修饰在其表面，即得超疏水铜表面。图7为所得超疏水铜片的静态接触角测量图片，在测试液滴体积为4微升下，测量得静态接触角为157°。实施例3与实施例4所得超疏水铜表面结构与实施例2表面基本相同。
实施例4：（1）铜片预处理：实验铜片为20mm*20mm*2铜片，使用600cw、800cw、1000cw、1500cw的砂纸依次将铜片打磨，至表面光滑，再经超声波清洗5min去除表面残留的磨削，获得初步粗化表面微结构。
（2）电镀预处理：在常温常压下，先将实验铜片以及电镀所需锌片用120g/L的氢氧化钠碱洗10min，去除表面油污。取出后再经去离子水清洗，去除表面残余碱液，而后再对其用5wt%的稀硫酸酸洗处理，铜片酸洗10min，锌片酸洗10s。去除表面氧化层。再用去离子水进行清洗，便可得到清洁的铜片和锌片。
（3）表面镀锌：将电镀预处理后的铜片和锌片置于电镀盒中，加入电镀液，并将电镀盒放入恒温水浴箱中，调节温度为30℃，以得到恒温的实验环境；以锌片为阳极，以铜片为阴极，分别连接直流电箱的输出正/负极，调节直流电流为120mA，电镀时间为15min；电镀结束后将铜片取出用去离子水清洗并干燥，即得表面镀锌铜块。
（4）低温烧结：将电镀完成的铜片放入还原气氛保护炉中低温烧结，烧结温度为150℃，烧结时间为2小时；
（5）脱合金处理：将低温烧结后的铜片随炉冷却，然后取出置于120g/L的NaOH溶液中进行脱合金处理，处理时间为14小时至表面完全变黑后取出铜片，最后用去离子水清洗并干燥，所得产物即为所述具有纳米多孔表面结构的铜片。
（6）修饰处理：将上述所得具有纳米多孔表面结构的铜片在常温常压下置于预先配置好的8mmol/L的硬脂酸酒精溶液中静置修饰8h，将疏水化合物修饰在其表面，即得超疏水铜表面。图8为所得超疏水铜片的静态接触角测量图片，在测试液滴体积为4微升下，测量得静态接触角为156.5°。
Claims (9)
1.一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征是包括如下步骤：
（1）铜片预处理：使用不同梯度砂纸将铜片打磨，至表面光滑，再经超声波清洗去除表面残留的磨削，获得初步粗化表面微结构；
（2）电镀预处理：在常温常压下，先将步骤（1）所得铜片以及电镀所需锌片进行碱洗，去除表面油污，取出后再经去离子水清洗，去除表面残余碱液，而后再进行酸洗处理，去除表面氧化层，再用去离子水进行清洗，便可得到清洁的铜片和锌片；
（3）表面镀锌：将电镀预处理后的铜片和锌片置于电镀盒中，加入电镀液，并将电镀盒放入恒温水浴箱中，以得到恒温的实验环境；以锌片为阳极，以铜片为阴极，分别连接直流电箱的输出正/负极，调节参数静置电镀；电镀结束后将铜片取出用去离子水清洗并干燥，即得表面镀锌铜块；
（4）低温烧结：将电镀完成的铜片放入还原气氛保护炉中低温烧结；
（5）脱合金处理：将低温烧结后的铜片随炉冷却，然后取出置于脱合金腐蚀溶液中进行脱合金处理，至表面完全变黑后取出铜片，最后用去离子水清洗并干燥，所得产物即为具有纳米多孔表面结构的铜片；
（6）修饰处理：将上述所得具有纳米多孔表面结构的铜片在常温常压下置于预先配置好的修饰溶液中静置修饰，将疏水化合物修饰在铜片表面，即得基于铜的超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述打磨用的砂纸的梯度为：600cw、800cw、1000cw与1500cw。
3.根据权利要求1所述的一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述碱洗溶液为氢氧化钠溶液，浓度为100g/L~140g/L；步骤（2）所述酸洗溶液为稀硫酸溶液，浓度为5wt%；步骤（2）所述铜片置于氢氧化钠溶液中进行碱洗的时间为10~15分钟；步骤（2）所述锌片置于氢氧化钠溶液中清洗的时间为8~15分钟；步骤（2）所述铜片置于稀硫酸中酸洗的时间为8~10分钟；步骤（2）所述锌片置于稀硫酸中清洗的时间为10秒。
4.根据权利要求1所述的一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述电镀液为镀锌电镀液；步骤（3）所述恒温水浴箱设定的温度为30℃~40℃；步骤（3）所述电镀的参数调节为：电流密度为20~30mA/cm2，电镀时间为15~20分钟。
5.根据权利要求1所述的一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述低温烧结的温度为100~200℃，烧结时间为1.5~2小时。
6.根据权利要求1所述的一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述脱合金腐蚀溶液为：稀硫酸溶液或氢氧化钠溶液，稀硫酸溶液浓度为3wt%~10wt%，氢氧化钠溶液浓度为100g/L~180g/L。
7.根据权利要求1所述的一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述表面完全变黑后取出铜片为脱合金腐蚀的终止时间，根据腐蚀溶液的选择及浓度的不同，腐蚀时间为8h~24h。
8.根据权利要求1所述的一种基于铜的超疏水表面的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的修饰溶液为硬脂酸酒精溶液，溶液浓度为4~8mmol/L；步骤（6）所述的修饰时间根据硬脂酸酒精溶液的浓度不同，修饰时间为8~18h。
9.由权利要求1所述制备方法制得的一种基于铜的超疏水表面。
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