CN105316619B - 一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法及产品，该方法包括如下步骤：第一步，将基体进行表面粗化处理；第二步，利用等离子体喷涂技术在基材表面制备微图案化陶瓷涂层；第三步，利用液料火焰喷涂技术在得到的陶瓷涂层上喷涂低表面能物质层，即可获得超疏水耐磨涂层。利用本发明的制备方法得到的材料具有耐磨和超疏水性能相结合的优点，极大的改善了超疏水涂层的摩擦学性能，制备得到的涂层的静态接触角可达到150‑180°，滚动角小于5°。本方法可以基于不同的基材表面制备耐磨超疏水涂层，应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及表面改性领域，具体涉及一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法及其产品。
背景技术
超疏水是指水滴的接触角大于150°，滚动角小于10°的固体表面特性，类似于荷叶的自清洁性能。由于超疏水特性在自清洁、节能减阻、生物医学、管道防腐、仿生材料等许多方面都有非常广阔的应用前景，因此固体表面的超疏水改性已成为目前的研究热点之一。
表面粗糙结构和表面化学组成是超疏水性的必要条件，由于两者的低机械稳定性限制了超疏水表面在实际中的应用。在自然界中，植物可以通过微纳米结构的重构或释放蜡状的物质来修复保留其超疏水性，但是人造的超疏水表面却很难具有植物的这种性质。因而，制备机械稳定的超疏水表面能很好的解决由机械破坏引起的这一问题，从而实现超疏水表面的长期应用。
目前，已出现了许多实现超疏水特性的技术，但工艺较复杂，同时也难以实现超疏水表面的大面积制备，无法实现工业化应用，因此找到一种操作方便，工艺简单，重复性好、能大面积制备并利于工业化应用的技术仍然是此领域亟待解决的一个问题。
陶瓷材料具有许多优势，如耐磨、性质稳定、耐腐蚀、耐高温等，将陶瓷作为一种涂层材料，能很好地将无机材料的优势与超疏水特性结合起来，在超疏水应用领域具有巨大的应用前景。
发明内容
本发明提供了一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法及其产品，该制备方法得到的耐磨超疏水陶瓷涂层同时具有良好的自清洁性能和耐磨性能。
一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法，包括以下步骤：
(1)对基体表面进行清洗和喷砂粗化处理，得到具有粗糙表面的基体；
(2)利用等离子体喷涂技术在步骤(1)得到的基体表面喷涂陶瓷材料，得到陶瓷涂层；
(3)利用液料火焰喷涂技术在步骤(2)所得到的陶瓷涂层表面喷涂低表面能物质层，得到所述的耐磨超疏水陶瓷涂层。
步骤(1)中，优选地，所述的基体材料为金属、合金、陶瓷等材料。
作为优选，采用丙酮、盐酸和去离子水依次进行清洗。
作为优选，采用喷砂机进行所述的喷砂粗化处理；
喷砂粗化时，空气压力为0.5～1.0MPa，喷砂时间为10秒～1分钟，喷砂用砂丸目数为30～200目。
步骤(2)中，等离子喷涂的工艺参数为：电弧电压35-75V，电弧电流200-600A，主气流量30-80L/min，副气流量5-50L/min，送粉速度10-100g/min，喷涂距离100-200mm。优选地，采用的喷涂材料为陶瓷材料。
采用等离子喷涂技术制备超疏水涂层的过程中，主气可以采用氩气，氮气和氦气等气体，副气可以采用氢气和氮气。
作为优选，陶瓷涂层具有微图案化的可控结构。在等离子喷涂过程中，分别使用80～200目的316L不锈钢网作为喷涂掩膜，可以得到具有微图案化结构的陶瓷涂层。
步骤(3)中，所喷涂的物质为低表面能物质或者低表面能物质修饰的纳米颗粒。
采用液料火焰喷涂低表面能物质层时，工艺参数为电流200-600A，电压10-60V，助燃气体O2压力为0.1-1MPa，流量为1-10Nm3/h，C2H2的压力为0.1-0.5MPa，流量为1-5Nm3/h，送粉速度10-100g/min，喷涂距离为100-200cm。
优选地，低表面能物质为氟树脂、氟碳树脂、氟硅烷树脂中的一种或几种，低表面能物质修饰的纳米颗粒为氧化铝、二氧化钛、铜等纳米颗粒中的一种或几种；进一步优选PTFE(聚四氟乙烯)修饰的纳米铜粒子作为低表面能物质，具体的制备步骤为：将浓度为1-20％(质量百分数)的Cu纳米粒子加入到乙醇中，搅拌均匀，然后在该溶液中加入1-20％的PTFE，搅拌均匀后即可得到低表面能物质修饰的纳米颗粒。
本发明还提供了一种由所述的制备方法制备得到耐磨超疏水陶瓷涂层。
同现有技术相比，本发明提供的制备方法，很好地将陶瓷材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温、长使用寿命等优点与超疏水的性能相结合，充分发挥了陶瓷材料的优势。得到的超疏水陶瓷涂层，接触角大于150°，滚动角小于5°，具有良好的自清洁性，同时具有很好的耐磨性能。
附图说明
图1为实施例1制备的普通超疏水涂层表面扫描电镜图；
图2为实施例2制备的耐磨超疏水涂层表面扫描电镜图；
图3为实施例1、2制备的超疏水涂层耐磨测试示意图；
图4为实施例2制备的耐磨超疏水涂层磨损前后接触角测量结果图；
图5为实施例1、2制备的超疏水涂层耐磨测试结果对比图；其中，对比例为实施例1样品，其余三个为实施例2样品。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明提供的利用热喷涂技术制备超疏水陶瓷涂层的方法可以包括以下具体步骤：
(1)将基体表面进行清洗，然后粗化处理；
(2)在步骤(1)的基础上利用等离子喷涂技术，在基材表面制备陶瓷涂层或微图案化的陶瓷涂层；
(3)在步骤(2)所述的涂层上喷涂低表面能物质层或低表面能物质修饰的纳米颗粒层，形成耐磨超疏水陶瓷涂层。
实施例1
本实施例中，取厚度约为2mm的316不锈钢作为基体，耐磨超疏水涂层的具体制备方法如下：
(1)依次用丙酮、盐酸、去离子水对基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂对基体表面喷砂粗化处理，喷砂采用的气压为0.5Mpa，喷砂时间为10秒，喷砂用砂丸目数为100目，以增大基体表面粗糙度，提高涂层结合强度；
(2)采用等离子喷涂的方法，以TiO2粉末(平均粒径为100μm)作为喷涂材料，控制等离子喷涂的喷涂参数为：电弧电压40V，电弧电流300A，主气流量40L/min，副气流量12L/min，送粉速度50g/min，喷涂距离150mm；，
(3)利用液料火焰喷涂技术喷涂低表面能物质层，采用PTFE修饰的铜纳米粒子为低表面能物质，具体的制备方法为：将浓度为5％(质量百分数)的氧化铝纳米粒子(直径约为100纳米)加入到乙醇中，然后在该溶液中加入5％的PTFE，搅拌均匀即可。
液料火焰喷涂的工艺参数为：助燃气体O2，压力为0.5MPa，流量为3Nm3/h，C2H2的压力为0.1MPa，流量为2Nm3/h，送粉速度50g/min，喷涂距离为150mm。
(4)喷涂完成后得到超疏水涂层，其接触角为153°，具有良好的超疏水性，滚动角为5°，图1为制备的超疏水涂层表面扫描电镜图，其中，a-1、a-2、a-3分别为不同放大倍数的表面形貌图，由图1可见该图层具有明显的微纳米结构。
(5)超疏水涂层耐磨性能的研究：在25KPa下，采用800目砂纸对制得的超疏水涂层表面进行耐摩擦实验，过程示意图如图3所示。
本实施例制备得到的涂层与基体结合良好，厚度约为100μm，具有良好的耐磨超疏水的性能。
实施例2
本实施例中，为研究涂层微观特征，本实施例中基于316不锈钢制备了不同的可控微图案结构，具体操作如下：
(1)依次用丙酮、盐酸、去离子水等对基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂对基体表面喷砂粗化处理，喷砂采用的气压为0.6MPa，以增大基体表面粗糙度，达到喷涂的粗糙度要求；
(2)为实现陶瓷涂层的微图案化，在等离子喷涂过程中分别使用200目、120目、80目的不锈钢网作为喷涂基底；
(3)采用等离子喷涂的方法，以TiO2粉末(平均粒径为100μm)作为喷涂材料，控制等离子喷涂的喷涂参数为：电弧电压40V，电弧电流300A，主气流量50L/min，副气流量15L/min，送粉速度60g/min，喷涂距离160mm；
(4)利用液料火焰喷涂技术喷涂低表面能物质，采用PTFE修饰的铜纳米粒子为低表面能物质，具体的制备方法为：将浓度为5％(质量百分数)的Cu纳米粒子加入到乙醇中，然后在该溶液中加入5％的PTFE。
液料火焰喷涂的工艺参数为：助燃气体O2压力为0.6MPa，流量为4Nm3/h，C2H2的压力为0.2MPa，流量为3Nm3/h，送粉速度60g/min，喷涂距离为160mm。
(5)喷涂完成后得到超疏水涂层，其接触角为154°，具有良好的超疏水性，图2为制备的耐磨超疏水涂层表面扫描电镜图，其中，b-1、b-2、b-3分别为不同放大倍数的表面形貌图(不锈钢网为200目时)，c-1、c-2、c-3分别为不同放大倍数的表面形貌图(不锈钢网为120目时)，d-1、d-2、d-3分别为不同放大倍数的表面形貌图(不锈钢网为80目时)，由图2可见该涂层具有明显的多尺度结构。
(6)超疏水涂层耐磨性能的研究：在25KPa下，采用800目砂纸对制得的超疏水涂层表面进行耐摩擦实验，图3为陶瓷涂层的摩擦性能测试示意图，图4为制备的耐磨超疏水涂层(不锈钢网为120目时)磨损前后的接触角测试结果，由图4可以看出涂层经过耐摩擦实验后的接触角为153度，耐磨损特性良好。
本实施例制备得到的涂层与基体结合良好，厚度约为100μm，具有良好的耐磨超疏水的性能。
Claims (8)
1.一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基体表面进行清洗和喷砂粗化处理，得到具有粗糙表面的基体；
(2)利用等离子体喷涂技术在步骤(1)得到的基体表面喷涂陶瓷材料，得到陶瓷涂层；
步骤(2)中，等离子喷涂的工艺参数为：电弧电压35-75V，电弧电流200-600A，主气流量30-80L/min，副气流量5-50L/min，送粉速度10-100g/min，喷涂距离100-200mm；
步骤(2)中，喷涂过程中以80～200目的不锈钢网作为喷涂掩膜，喷涂结束后得到陶瓷涂层上具有微图案化结构；
(3)利用液料火焰喷涂技术在步骤(2)所得到的陶瓷涂层表面喷涂低表面能物质层，得到所述的耐磨超疏水陶瓷涂层；
采用液料火焰喷涂低表面能物质层时，工艺参数为电流200-600A，电压10-60V，助燃气体O2压力为0.1-1MPa，流量为1-10Nm3/h，C2H2的压力为0.1-0.5MPa，流量为1-5Nm3/h，送粉速度10-100g/min，喷涂距离为100-200cm。
2.根据权利要求1所述的利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，采用丙酮、盐酸和去离子水依次进行清洗。
3.根据权利要求1所述的利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，采用喷砂机进行所述的喷砂粗化处理；
喷砂粗化时，空气压力为0.5～1.0MPa，喷砂时间为10秒～1分钟，喷砂用砂丸目数为30～200目。
4.根据权利要求1所述的利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法，其特征在于，步骤(3)中，所喷涂的物质为低表面能物质或者低表面能物质修饰的纳米颗粒。
5.根据权利要求4所述的利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述的低表面能物质为氟树脂、氟碳树脂、氟硅烷树脂中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述的纳米颗粒的材料为氧化铝、二氧化钛、氧化锆、铜中的一种或几种。
7.一种耐磨超疏水陶瓷涂层，其特征在于，由权利要求1～6任一项所述的方法制备得到。
8.一种不粘锅，其特征在于，表面含有权利要求7所述的耐磨超疏水陶瓷涂层。
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