CN105297099A - 一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法 - Google Patents

一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，在室温条件下对铜箔进行超声清洗，并将铜箔放置于抛光液中进行抛光处理，然后用去离子水冲洗干净；以经过预处理的铜箔为阴极，以Pt片电极为阳极，以含有有机碳源、导电盐、金属纳米粒子的水溶液为电解液，采用恒压电解的方式进行电解，直至在阴极收集到银碳复合薄膜；将上述处理后的铜箔浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺组成的正己烷混合液中，浸泡10-30h，然后用正己烷冲洗后即形成超疏水铜箔。本发明在不同电解条件下，可分别制备刺球型和水黾腿型具有微纳米尺度的分级结构的薄膜，与水接触角均在150°以上，滚动角均小于5°，超疏水特性稳定。

Description

一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法
技术领域
本发明属于化工领域，涉及一种金属表面的改性处理方法，具体来说是一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法。
背景技术
仿生超疏水表面具有“荷叶效应”的自清洁性能，被应用于从日常生活到工业生产的广阔领域中。如，纺织品通过超疏水技术处理后便可拥有良好的防水、防污、自洁净效果；汽车前挡风玻璃、建筑木材、陶瓷表面等应用超疏水处理技术即可利用雨水的冲刷作用实现自清洁；管道内壁、船舶的外壳应用超疏水处理技术则可减小与流体之间的摩擦力进而有效提高动力性能。
常用的构造微纳米结构粗糙金属表面的方法为刻蚀法。显然，刻蚀液具有定向的选择性，大多只适用于单一金属基体。现在被广泛采用的方法是模版法，该方法需要先制备特定的模版，再以此为基准反向加工出特定形貌的基体，步骤较为复杂。还有部分工作者采用等离子刻蚀法，设备昂贵。现有构造仿生超疏水薄膜的技术因为缺乏通用性、工艺复杂和设备要求高、能耗大等问题而在推广应用中受到限制。
目前尚未发现利用NMP电解在铜基体表面构筑仿生超疏水薄膜的报道。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，所述的这种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法解决了现有技术中的制备铜基体超疏水薄膜的方法采用的刻蚀液通用性差，工艺复杂，设备要求高，难以实现复杂形貌成膜的技术问题。
本发明一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，包括以下步骤：
1)一个对基体进行预处理的步骤：在室温条件下对铜箔进行超声清洗，并将铜箔放置于抛光液中进行抛光处理，所述的抛光溶液由磷酸和水组成，在所述的抛光溶液中，磷酸的体积比浓度为0.6-0.8，然后用去离子水冲洗干净；
2)一个电解成膜的步骤，以经过预处理的铜箔为阴极，以Pt片电极为阳极，以含有有机碳源、导电盐、金属纳米粒子的水溶液为电解液，采用恒压电解的方式进行电解，控制温度范围为50-70℃，直至在阴极收集到银碳复合薄膜；在所述的电解液中，所述的有机碳源为n-甲基吡咯烷酮，n-甲基吡咯烷酮的体积比浓度为0.1-0.5；所述的导电盐为NaCl，NaCl的浓度为0-0.1mM/L，所述的金属纳米粒子为Ag粒子，Ag粒子的浓度为10-50mg/L，粒径在20nm-60nm之间；
3)一个表面修饰的步骤，将上述处理后的铜箔浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺组成的正己烷混合液中，浸泡10-30h，然后用正己烷冲洗后即形成超疏水铜箔。
进一步的，所述的铜箔为紫铜或者铜合金。
进一步的，步骤2）中，电解的电压为1-300V。
进一步的，步骤3）中，在硬脂酸和二环己基碳二亚胺组成的正己烷混合液中，硬脂酸、二环己基碳二亚胺和正己烷的体积比1：2：3-2：1：3。
本发明通过采用电解有机物在铜及各类铜合金材料表面生长微纳米结构的碳膜来实现超疏水，不受复杂形貌难以“刻录”的限制，工艺简单，无需特殊设备，可简单高效地实现复杂形貌基体的表面超疏水。在不同电解条件下，可分别制备刺球型和水黾腿型具有微纳米尺度的分级结构的薄膜，与水接触角均在150°以上，滚动角均小于5°，超疏水特性稳定。本发明可简单高效地实现在复杂形貌紫铜、各类铜合金基体表面构筑超疏水薄膜。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明不受刻蚀液选择性问题的限制，可以实现在紫铜、各类铜合金基体构筑超疏水薄膜。通过改变有机碳源和水的比例，调节溶液的介电常数，降低成膜的电压，从而降低制备成本。同时，本发明通过金属掺杂催化碳源分解成膜，从而降低制备成本。
附图说明
图1为实例1中超疏水铜箔表面的电镜照片。
图2为实例1中超疏水铜箔表面与水滴的接触角图。
图3为实例2中超疏水铜箔表面的电镜照片。
图4为实例2中超疏水铜箔表面与水滴的接触角图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
实施例1
一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，具体包括如下步骤：
（1）、将铜箔依次用丙酮、乙醇超声清洗，并用去离子水冲洗吹干。随后浸入抛光液中恒电压抛光处理一段时间，取出后用去离子水冲洗，并用惰性气体吹干；
所述铜箔为TU１紫铜（铜元素含量为99.95%）；
所述抛光液中，磷酸与水的体积比为7：1；
所述抛光电压为2.4V；
所述抛光时间为5min。
（2）、以处理好的铜箔为阴极，以Pt片电极为阳极，以含有有机碳源、导电盐、金属纳米粒子的水溶液为电解液，采用恒压电解的方式，控制温度条件下电解一段时间直至在阴极收集到一定厚度的银碳复合膜。
所述的有机碳源为n-甲基吡咯烷酮（NMP），体积比浓度为0.2；
所述的导电盐为NaCl，浓度为0.1mM/L；
所述的金属纳米粒子为Ag粒子，浓度为10mg/L，粒径在20nm-60nm；
所述的恒压电解的电压为2V；
所述的控制温度为70℃；
所述时间为12ｈ。
（3）、表面修饰：将上述处理后的铜箔浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷混合液中，浸泡10-30h，取出用正己烷冲洗后即形成超疏水铜箔。
在所述的正己烷混合液中，硬脂酸、二环己基碳二亚胺、正己烷的体积比为1:1：2。
上述得到的超疏水铜箔表面形貌的电镜照片如图1所示，从图1中可以看出，样品表面呈“刺球”型为典型的微纳米结构；
上述得到的超疏水铜箔接触角测试结果如图2所示，从图2中可以看出，样品与水的接触角为159°。
实施例2
（1）、将铜箔依次用丙酮、乙醇超声清洗，并用去离子水冲洗吹干。随后浸入抛光液中恒电压抛光处理一段时间，取出后用去离子水冲洗，并用惰性气体吹干；
所述铜箔为T２紫铜（铜元素含量为99.9%）；
所述抛光液中，磷酸与水的体积比为7：1；
所述抛光电压为2.4V；
所述抛光时间为5min。
（2）、以处理好的铜箔为阴极，以Pt片电极为阳极，以含有有机碳源、导电盐、金属纳米粒子的水溶液为电解液，采用恒压电解的方式，控制温度条件下电解一段时间直至在阴极收集到一定厚度的银碳复合膜。
所述的有机碳源为n-甲基吡咯烷酮（NMP），体积比浓度为0.１；
所述的导电盐为NaCl，浓度为0mM/L；
所述的金属纳米粒子为Ag粒子，浓度为10mg/L，粒径在20nm-60nm；
所述的恒压电解的电压为200V；
所述的控制温度为70℃；
所述时间为1ｈ。
（3）、表面修饰：将上述处理后的铜箔浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷混合液中，浸泡10-30h，取出用正己烷冲洗后即形成超疏水铜箔。
在所述的正己烷混合液中，硬脂酸、二环己基碳二亚胺、正己烷的体积比为1：2：3。
上述得到的超疏水铜箔表面形貌的电镜照片如图3所示，从图3中可以看出，样品表面呈“水黾腿”型为典型的微纳米结构；
上述得到的超疏水铜箔接触角测试结果如图4所示，从图4中可以看出，样品与水的接触角为158°。
实施例3
一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，具体包括如下步骤：
（1）、将铜箔依次用丙酮、乙醇超声清洗，并用去离子水冲洗吹干。随后浸入抛光液中恒电压抛光处理一段时间，取出后用去离子水冲洗，并用惰性气体吹干；
所述铜箔为黄铜；
所述抛光液中，磷酸与水的体积比为7：1；
所述抛光电压为2.4V；
所述抛光时间为5min。
（2）、以处理好的铜箔为阴极，以Pt片电极为阳极，以含有有机碳源、导电盐、金属纳米粒子的水溶液为电解液，采用恒压电解的方式，控制温度条件下电解一段时间直至在阴极收集到一定厚度的银碳复合膜。
所述的有机碳源为n-甲基吡咯烷酮（NMP），体积比浓度为0.3；
所述的导电盐为NaCl，浓度为0.1mM/L；
所述的金属纳米粒子为Ag粒子，浓度为10mg/L，粒径在20nm-60nm；
所述的恒压电解的电压为5V；
所述的控制温度为70℃；
所述时间为12ｈ。
（3）、表面修饰：将上述处理后的铜箔浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺的正己烷混合液中，浸泡10-30h，取出用正己烷冲洗后即形成超疏水铜箔。
在所述的正己烷混合液中，硬脂酸、二环己基碳二亚胺、正己烷的体积比为2：1：3。
综上所述，本发明的一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，由于采用了在基体表面电解有机物生成包覆碳膜的方式，故而对紫铜和各类铜合金基体材料均可实现其表面超疏水，并且可以在低电压1V下成膜。提高了生产安全性并降低了能耗。
以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）一个对基体进行预处理的步骤：在室温条件下对铜箔进行超声清洗，并将铜箔放置于抛光液中进行抛光处理，所述的抛光溶液由磷酸和水组成，在所述的抛光溶液中，磷酸的体积比浓度为0.6-0.8，然后用去离子水冲洗干净；
2）一个电解成膜的步骤，以经过预处理的铜箔为阴极，以Pt片电极为阳极，以含有有机碳源、导电盐、金属纳米粒子的水溶液为电解液，采用恒压电解的方式进行电解，控制温度范围为50-70℃，直至在阴极收集到银碳复合薄膜；在所述的电解液中，所述的有机碳源为n-甲基吡咯烷酮，n-甲基吡咯烷酮的体积比浓度为0.1-0.5；所述的导电盐为NaCl，NaCl的浓度为0-0.1mM/L，所述的金属纳米粒子为Ag粒子，Ag粒子的浓度为10-50mg/L，粒径在20nm-60nm之间；
3）一个表面修饰的步骤，将上述处理后的铜箔浸入硬脂酸和二环己基碳二亚胺组成的正己烷混合液中，浸泡10-30h，然后用正己烷冲洗后即形成超疏水铜箔。
2.如权利要求1所述的一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，其特征在于：所述的铜箔为紫铜或者铜合金。
3.如权利要求1所述的一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，其特征在于：步骤2）中，电解的电压为1-300V。
4.如权利要求1所述的一种电解有机物在铜基体表面构建仿生超疏水薄膜的方法，其特征在于：在所述的硬脂酸和二环己基碳二亚胺组成的正己烷混合液中，硬脂酸、二环己基碳二亚胺和正己烷的体积比1：2：3-2：1：3。
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