CN105297082A - 一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属表面处理技术领域，公开了一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法。所述制备方法为：以两块预处理过的金属分别作为阴极和阳极，在直流电压20～60V的条件下，以金属硝酸盐和十四酸的混合溶液为电镀液，电沉积1～60min，即在阴极和阳极同时获得具有超疏水膜层表面的金属。本发明在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法工艺简单、耗时少，所用电镀液工艺配方为环保型配方，且电沉积加工工艺均适用于大面积生产，为工业应用快速、大面积生产超疏水金属表面提供了一种可行的方法。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法。
背景技术
金属材料作为当前应用最广的工程结构材料，广泛应用于航空航天、电子产品、汽车工业、国防军工等领域。然而，常用的金属结构材料如铝合金、钢铁、镁合金、铜合金等在潮湿的空气中及水溶液介质中比较容易发生腐蚀，这严重制约了金属材料的广泛应用。通常，金属材料由于自身的特性，表面均为亲水状态，这使得金属表面容易吸水导致化学腐蚀、电化学腐蚀的发生。超疏水表面是指水滴在表面的接触角大于等于150°的表面，水滴在这种表面呈现出球形，当表面稍微倾斜时，水滴会随着滑落。超疏水表面由于其天然的憎水功能在金属表面防腐上有着重要的研究价值。
近年来，在金属表面已经开发出众多的超疏水表面制备方法，如水热法、化学气相沉积、化学刻蚀、微弧氧化、阳极氧化、电化学沉积等。ChenXH等(CrystalGrowthandDesign,2009,9(6),2656-2661)利用化学气相沉积的方法在铜表面制备超疏水结构，并对获得的结构用1H，1H，2H，2H-全氟十七烷三甲基氧硅烷(PDES)和十八硫醇(ODT)分别进行修饰，结果表明经过PDES和ODT修饰的铜箔表面的接触角均超过160°，而经过PDES修饰的表面具有更低的滚动角，虽然其方法简单，但其周期较长、效率较低，需要气相沉积设备，大规模的推广应用难度较大。中国发明专利(专利号：ZL200810220287.3)公开了一种可以在多种金属表面制备超疏水膜层的方法，该法结合化学刻蚀与有机镀膜在镁合金、铜合金及不锈钢表面制备了性能良好的超疏水表面，具有生产效率高、操作简单等特点，然而，该法需要其自主合成的含氟三嗪类有机物，严重限制了这种方法的推广。
一般而言，金属表面超疏水膜层的制备需要两个步骤：一是在金属表面构造粗糙结构；二是在表面修饰低表面自由能物质；此外，现有的工艺往往需要苛刻的设备，昂贵的试剂，较长的周期，要真正将超疏水表面应用到工业上还有一段距离。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法。该方法只需一步即可在多种金属表面制备出超疏水表面所需的粗糙结构与低表面能物质，制备得到超疏水膜层，实现金属表面优良的超疏水性能。且该方法极大的缩短了制备周期，处理过程易于实现，适于工业化规模生产。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的一种具有超疏水膜层的金属。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法，包括如下步骤：以两块预处理过的金属分别作为阴极和阳极，在直流电压20～60V的条件下，以金属硝酸盐和十四酸的混合溶液为电镀液，电沉积1～60min，即在阴极和阳极同时获得具有超疏水膜层表面的金属。
优选地，所述的金属包括镁合金、纯铝片、纯镍片、纯铜片、不锈钢片。
优选地，所述电镀液中硝酸盐的浓度为0.01～0.05mol/L；十四酸的浓度为0.05～0.2mol/L。
优选地，所述电镀液以无水乙醇作为溶剂。
所述的预处理为本领域常规的打磨、清洗及去油脂等处理，优选包括以下步骤：将金属表面用砂纸打磨至1500～2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干待用。
一种具有超疏水膜层表面的金属，通过以上方法制备得到。
上述方法制备得到的具有超疏水膜层表面的金属，其水滴表面接触角均大于155°。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的方法可一步同时完成在金属表面制备出超疏水表面所需的粗糙结构与低表面能物质，且阴阳两极同时制备得到超疏水膜层，无需使用特殊的设备，其制备方法简单，处理过程易于实现；
(2)本发明的方法最快可以1min在金属表面获得超疏水膜层，极大的缩短了超疏水的制备周期，且电沉积加工工艺均适用于大面积生产，为工业应用快速、大面积生产超疏水金属表面提供了一种高效可行的方法；
(3)本发明涉及的溶液配方均不含有对环境和人类身体健康有毒有害成分，属于环保型配方。
附图说明
图1为实施例1在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的Mg-Mn-Ce镁合金的接触角测试结果图；
图2为实施例2在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的铝片的接触角测试结果图；
图3为实施例3在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的镍片的接触角测试结果图；
图4为实施例4在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的铜片的接触角测试结果图；
图5为实施例5在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的不锈钢片的接触角测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
尺寸为50×30×4(mm)的Mg-Mn-Ce镁合金板材，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：镁合金预处理
将Mg-Mn-Ce镁合金板材表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Mg(NO3)2和十四酸溶于无水乙醇中，其中，Mg(NO3)2的浓度为0.03mol/L，十四酸浓度为0.1mol/L；
步骤三：电沉积
以两块打磨好的镁合金试样分别作为阴极和阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压30V的条件下，电沉积20min，即在阴极和阳极分别获得具有超疏水膜层表面的Mg-Mn-Ce镁合金。
本实施例在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的Mg-Mn-Ce镁合金的接触角测试结果图如图1所示。由图1结果得出阴极的接触角达到159.6°，阳极的接触角达到156.2°。
实施例2
尺寸为50×30×0.1(mm)的纯铝片薄片，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：纯铝片预处理
将纯铝片表面用砂纸打磨至2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Al(NO3)3和十四酸溶于无水乙醇中，其中，Al(NO3)3的浓度为0.05mol/L，十四酸浓度为0.2mol/L；
步骤三：电沉积
以两块打磨好的纯铝片试样分别作为阴极和阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压10V的条件下，电沉积60min，即在阴极和阳极分别获得具有超疏水膜层表面的铝片。
本实施例在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的铝片的接触角测试结果图如图2所示。由图2结果得出阴极的接触角达到158.6°，阳极的接触角达到155.3°。
实施例3
尺寸为50×30×0.1(mm)的纯镍薄片，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：纯镍片的预处理
将纯镍片表面用砂纸打磨至1500#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Ni(NO3)2和十四酸溶于无水乙醇中，其中，Ni(NO3)2的浓度为0.05mol/L，十四酸浓度为0.2mol/L；
步骤三：电沉积
以两块打磨好的纯镍片试样分别作为阴极和阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压60V的条件下，电沉积1min，即在阴极和阳极分别获得具有超疏水膜层表面的镍片。
本实施例在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的镍片的接触角测试结果图如图3所示。由图3结果得出阴极的接触角达到157.3°，阳极的接触角达到155.8°。
实施例4
尺寸为50×30×0.5(mm)的纯铜薄片，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：纯铜片的预处理
将纯铜片表面用砂纸打磨至1500#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Cu(NO3)2和十四酸溶于无水乙醇中，其中，Cu(NO3)2的浓度为0.01mol/L，十四酸浓度为0.05mol/L；
步骤三：电沉积
以两块打磨好的纯铜片试样分别作为阴极和阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压20V的条件下，电沉积10min，即在阴极和阳极分别获得具有超疏水膜层表面的铜片。
本实施例在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的铜片的接触角测试结果图如图4所示。由图4结果得出阴极的接触角达到157.5°，阳极的接触角达到155.7°。
实施例5
尺寸为50×30×0.2(mm)的不锈钢薄片，经表面预处理后电化学沉积一步获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
步骤一：不锈钢的预处理
将纯铜片表面用砂纸打磨至1500#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干；
步骤二：电镀液配制
将Fe(NO3)3和十四酸溶于无水乙醇中，其中，Fe(NO3)3的浓度为0.02mol/L，十四酸浓度为0.1mol/L；
步骤三：电沉积
以两块打磨好的不锈钢片试样分别作为阴极和阳极，取100mL步骤二配制的电镀液，在直流电压40V的条件下，电沉积10min，即在阴极和阳极分别获得具有超疏水膜层表面的不锈钢片。
本实施例在阴极和阳极得到的具有超疏水膜层表面的不锈钢片的接触角测试结果图如图5所示。由图5结果得出阴极的接触角达到157.2°，阳极的接触角达到155.4°。
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上述实施例的限制，其它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 (7)
1.一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于，包括如下制备步骤：以两块预处理过的金属分别作为阴极和阳极，在直流电压20～60V的条件下，以金属硝酸盐和十四酸的混合溶液为电镀液，电沉积1～60min，即在阴极和阳极同时获得具有超疏水膜层表面的金属。
2.根据权利要求1所述的一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述的金属是指镁合金、纯铝片、纯镍片、纯铜片或不锈钢片。
3.根据权利要求1所述的一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述电镀液中硝酸盐的浓度为0.01～0.05mol/L；十四酸的浓度为0.05～0.2mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于：所述电镀液以无水乙醇作为溶剂。
5.根据权利要求1所述的一种在金属表面一步法制备超疏水膜层的方法，其特征在于，所述的预处理过程为：将金属表面用砂纸打磨至1500～2000#，室温下丙酮超声清洗10min，冷风吹干待用。
6.一种具有超疏水膜层表面的金属，其特征在于：通过权利要求1～5任一项所述的方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的一种具有超疏水膜层表面的金属，其特征在于：所述金属表面的水滴接触角大于155°。
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