CN105386090B - 一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法，其包括以下步骤：对金属基底进行清洁和烘干；镍块作为阳极，金属基底作为阴极，分别连接到电源的正极和负极，在阳极和阴极之间通以均匀混有可溶微纳米颗粒球的镍沉积溶液，通电形成电沉积层，使可溶微纳米颗粒球嵌于金属镍层的内部和表面；清洗和烘干；将工件置于溶解液中，使可溶微纳米颗粒球溶解，使镍层表面形成内凹结构超疏油表面；低表面能修饰。在阴极与阳极之间通以可溶微纳米颗粒球使其镶嵌于沉积层表面和内部，随后将可溶微纳米颗粒球溶解形成内凹结构疏油表面，颗粒球粒径可控制内凹孔洞的规格和形貌，使孔洞均匀规则，可批量生产，有良好的耐磨性和超疏油。

Description

一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超疏油表面加工技术，尤其涉及一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法。
背景技术
润湿性是存在自然界中的普遍现象，例如雨水落在荷叶表面后形成球状液滴而滚落的现象以及荷叶“出淤泥而不染”的自清洁效应，即为超疏水现象。此外许多动植物如水黾的脚、蝴蝶的翅膀、水稻叶等，也具有超疏水性能。研究表明，所有这些表面所具有超疏水特性是由于微纳米粗糙结构和低表面能物质共同作用而形成的。
润湿性同时也是材料科学和表面工程领域的重要方面，在日常生活、工业生产，农业生产中有许多重要应用。所谓超疏水是指水滴在固体表面的静态接触角超过150°，同理，超疏油即油滴在固体表面的静态接触角超过150°。然而，油滴的表面张力远小于水滴的表面张力，因此，制备具有超疏油特性的固体表面，其难度较之超疏水表面更大，更难实现。相关研究表明，要制备空气中超疏油表面除了需要低表面能分子的修饰外，还要在其带微纳米粗糙结构表面上引进凹入表面曲率，使得微纳米粗糙结构呈内凹或悬臂。这给制造工艺提出更大的挑战。
目前，大量的文献已经报道了人工仿生超疏水表面，这些材料在表面自清洁，防冰，防雾，防污染，金属防腐蚀，流体减阻中有广泛的应用。关于疏油表面的报道相对较少，但超疏油表面在工农业生产中比如防油性涂料，海水防污处理，石油管道防油爬行，油水分离中都有巨大的应用空间。金属材料在工程中大量应用，使用面极其广泛，然而金属的抗污染防腐蚀性能较差，因此在金属上制备具有超疏油特性表面具有重大意义。
所谓表面织构(Surface texture)是指物体表面具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的阵列。具有微纳米尺度微观织构的表面在表面能、光学特性、仿生特性、机械特性、流体动力学特性及摩擦磨损性能等方面与光滑表面表现出截然不同的特点，这为众多学科研究注入了新的活力，并且在许多工程领域展示出巨大的应用潜力。
疏油表面的制备方法通常遵循自下而上或自上而下的方法。现有制备超疏油表面的工艺方法主要有以下几种：（1）无/有模板湿法刻蚀（2）飞秒激光刻蚀法（3）静电纺丝法（4）电沉积法（5）溶胶-凝胶法等。
其中上述方法存在以下对应的缺陷：（1）无模板湿法刻蚀可以刻蚀硅和金属表面，效率高且成本低，但刻蚀表面形貌可控性差，该方法容易得到超疏水表面，但不易获得超疏油表面；疏油表面可以通过Bosch刻蚀法获得，但工艺复杂且只适合硅材料。（2）飞秒激光刻蚀法能够制备精度高、形貌规则的微纳嵌套结构表面，但该工艺效率低，不适合大规模制造，且设备极其昂贵。（3）静电纺丝法通过利用微/纳米细丝在表面构筑粗糙结构，容易通过控制产生疏油表面所需结构，但所制备的表面机械力学性能较差，不具备良好的耐磨性等，使用寿命比较短；（4）电沉积法可以沉积金属或聚合物，能高效便捷地制备具有微纳米粗糙结构表面，但形貌随机性强，不易控制，且不易产生内凹或悬臂结构。
发明内容
针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种获取超疏油表面结构并适合快速规模生产的具有良好耐磨性的具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法。
为了克服现有技术不足，本发明采用的技术方案是：一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法，用于在金属基底构建超疏油表面结构，所述具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法包括以下步骤：
S1、对金属基底进行清洁和烘干，去除油污和杂质；
S2、金属基底表面金属层电沉积，使用镍块作为阳极，金属基底作为阴极，两者分别连接到电源的正极和负极，在阳极和阴极之间通以均匀混有可溶微纳米颗粒球的镍沉积溶液，从而构成电沉积系统，并通电进行沉积形成电沉积层，使可溶微纳米颗粒球镶嵌于金属镍层的内部和表面；
S3、清洗和烘干，电沉积工艺完成后将工件取出清洗并烘干；
S4、可溶微纳米颗粒球溶解，将电沉积完成的工件置于盛有溶解液的容器中，使可溶微纳米颗粒球溶于溶解液中，使镍层表面最终形成内凹结构超疏油表面；
S5、低表面能修饰，将经过电解加工的工件和滴有氟硅烷的承载片共同置于密闭容器中，然后放入烘箱烘烤，取出后放至室温，完成工件的制备。
作为本发明具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法的技术方案的一种改进，在步骤S1中，对表面平整光滑的金属基底利用碱液去除金属表面油污，然后将其置于盛有乙醇溶液的超声波清洗机中进行清洗，再利用表面活性剂去除金属表面氧化层，最后用去离子水清洗并置于烘箱中烘干去除表面水分。
本发明的有益效果是：通过在通电的电沉积系统中，在金属基底附着形成金属镍沉积层，通电沉积过程中，在阴极与阳极之间通以可溶微纳米颗粒球使其镶嵌于沉积层表面和内部，随后使用溶解液将可溶微纳米颗粒球溶解从而形成内凹结构疏油表面，通过颗粒球粒径大小的选择可以控制内凹孔洞的尺寸规格，颗粒球粒径均匀则内凹孔洞的规格易于达到均匀规则，同时适合规模成型和批量生产，规则的织构具有良好的超疏油，金属镍表层具有良好的耐磨性从而提高使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备过程的各个阶段的工件结构示意组合图。
图2为构建有超疏油表面的金属基底的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行具体描述。
图1展示了本发明的工艺过程中工件的各个阶段的结构，本发明一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法，用于在金属基底构建超疏油表面织构，所述具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法包括以下步骤：
S1、对金属基底1进行清洁和烘干，去除油污和杂质；使得金属基底1表面清洁干净，便于进行后续织构构件工艺进行，使得织构与金属基底1连接牢固。
S2、金属基底1表面金属层电沉积，使用镍块2作为阳极，而金属基底1作为阴极，两者分别连接到电源5的正极和负极，在阳极和阴极之间通以均匀混有可溶微纳米颗粒球3的镍沉积溶液4，从而构成一个完整的电沉积系统；在阳极溶解和阴极沉积的原理作用下，对电沉积系统通电，镍块2的镍离子在金属基底表面还原为金属镍形成电沉积层6，可溶微纳米颗粒球3在电场力和吸附力的作用下随镍离子一起沉积，镶嵌于金属镍层即电沉积层6的内部和表面。
在此步骤中，通过电沉积参数，主要通过控制加工时间，再辅助以电参数（电流密度、频率、占空比）和电解液参数（成分和浓度）等的控制，保证位于表面可溶微纳米颗粒球至少超过一半镶嵌在镍层中，便于后续工序中形成开口小于内腔的孔洞9，构筑表面疏油内凹结构，可溶微纳米颗粒球嵌入的深度将决定疏油表面内凹结构的开口尺寸，从而使超疏油表面内凹结构的开口部分的尺寸、形貌可控。
另外，内凹坑的规格与可溶微纳米颗粒球一致，控制颗粒球的粒径实现超疏油表面内凹结构的内部凹坑半径可控。
S3、清洗和烘干，电沉积工艺完成后将工件取出清洗并烘干，供下一步工艺使用。
S4、可溶微纳米颗粒球3溶解，将电沉积完成的工件置于盛有溶解液7的容器中，可溶微纳米颗粒球3将与溶解液7发生化学反应，随后溶于溶解液7中，使镍层表面最终形成表面排布有开口小于内腔的孔洞9的内凹结构超疏油表面，如图2所示。
S5、低表面能修饰，将经过电解加工的工件和滴有氟硅烷的承载片共同置于密闭容器中，然后放入65℃烘箱烘烤1小时，取出后放至室温，完成工件的制备。在烘烤工程中，氟硅烷8将通过吸附作用在工件表面形成一层纳米薄层的低表面能物质，使金属表面达到超超疏油能。
该工艺方法通过在通电的电沉积系统中，在金属基底附着形成金属镍沉积层，通电沉积过程中，在阴极与阳极之间通以可溶微纳米颗粒球使其镶嵌于沉积层表面和内部，随后使用溶解液将可溶微纳米颗粒球溶解从而形成内凹结构疏油表面，通过颗粒球粒径大小的选择可以控制内凹孔洞的尺寸规格，颗粒球粒径均匀则内凹孔洞的规格易于于达到均匀规则，同时适合规模成型和批量生产，规则的织构具有良好的超疏油，金属镍表层具有良好的耐磨性从而提高使用寿命。
更佳地，在步骤S1中，对表面平整光滑的金属基底1利用碱液去除金属表面油污，然后将其置于盛有乙醇溶液的超声波清洗机中进行清洗，再利用表面活性剂去除金属表面氧化层，最后用去离子水清洗并置于烘箱中烘干去除表面水分。使得金属基底1表面清洁干净无杂质无氧化层，便于在其表面沉积的金属层与金属基底有较强的结合力。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法，用于在金属基底构建超疏油表面结构，其特征在于，所述具有内凹微孔的超疏油金属表面的制备方法包括以下步骤：
S1、对金属基底进行清洁和烘干，去除油污和杂质；
S2、金属基底表面金属层电沉积，使用镍块作为阳极，金属基底作为阴极，两者分别连接到电源的正极和负极，在阳极和阴极之间通以均匀混有可溶微纳米颗粒球的镍沉积溶液，从而构成电沉积系统，并通电进行沉积形成电沉积层，使可溶微纳米颗粒球镶嵌于金属镍层的内部和表面；
S3、清洗和烘干，电沉积工艺完成后将工件取出清洗并烘干；
S4、可溶微纳米颗粒球溶解，将电沉积完成的工件置于盛有溶解液的容器中，使可溶微纳米颗粒球溶于溶解液中，使镍层表面最终形成内凹结构超疏油表面；
S5、低表面能修饰，将经过电解加工的工件和滴有氟硅烷的承载片共同置于密闭容器中，然后放入65℃烘箱烘烤1小时，取出后放至室温，完成工件的制备；
在步骤S1中，对表面平整光滑的金属基底利用碱液去除金属表面油污，然后将其置于盛有乙醇溶液的超声波清洗机中进行清洗，再利用表面活性剂去除金属表面氧化层，最后用去离子水清洗并置于烘箱中烘干去除表面水分。
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