CN106591896A - 一种制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法 - Google Patents

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王天驰
陈凯
孔见
赵�卓
赵一卓
周哲
刘子恒
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Abstract

本发明公开了一种制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法。该方法以超疏水性植物叶片为制备模板，先通过非氧化气氛保护烧结，得到具有叶片构造的碳素模板，再通过电镀的方法在碳素模板表面电镀一薄铜层，得到具有植物叶片结构的铜表面，铜表面再经氟硅烷低表面能物质修饰后，具有超疏水性能。本发明方法制得的铜表面能够很好地遗留植物叶片的微观构造，高程度借鉴自然，并采用电镀的方法在植物叶片模板表面成膜，电镀的铜晶粒增加表面结构粗糙程度，使得铜表面具有优异的超疏水性能。

Description

一种制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法，具体涉及一种利用电镀制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法。
背景技术
铜及其合金是人类应用最早和最广的一种有色金属，其导电和导热性好，但在制冷、低温运行和户外使用的铜制零部件中，铜由于表面能较高，水分子易吸附聚集，极易结冰，严重影响了铜产品的导热和导电性能，给产品和设备的稳定工作带来了较大的危害。传统的防覆冰方法大多基于除冰、融冰思路，如热力融冰、过电流融冰、短路融冰、带负荷融冰、高频脉冲电流加热振荡、敷设发热导体等，但这些方法不能从根本上解决问题。将铜做成超疏水材料可以有效地解决这些问题，超疏水的铜表面能有效的降低水的附着以及结冰，并且表面自清洁能力强，使得实际铜的使用寿命及使用效率得到大幅提升。
目前，超疏水铜表面主要是通过人工的方法构造粗糙结构，比如湿化学刻蚀法、氧化法、电沉积法和浸泡法等方法，然后用具有低表面能的物质进行表面修饰制得超疏水材料。弯艳玲等人采用高速电火花线切割机床在铜表面构筑复合粗糙结构，经自组装技术处理后得到了超疏水铜表面，制得的超疏水铜材料接触角达到了153.73°，但滚动角有2.33°，疏水性能表现一般(WAN Yan-ling,et al.Fabrication of Robust Super-hydrophobicCopper Surface by HS-WEDM.Journal of Materials Science and Engineering.2014,32(5),634–642)。出现这些不足的原因主要在于这些人工构造的粗糙结构粗糙程度不够。要获得比较好的疏水材料关键在于构造表面多级复杂的纳米微结构。遗态材料学很好的解决了这方面的不足，以动植物结构为模板，通过物理化学的方法制备出具有动植物结构的超疏水表面，这些表面表现出优异的疏水性能。王天驰等人以荷叶为模板，通过浸渍烧结的方法制备出性能优异的超疏水碳素陶瓷材料，但是这些动植物叶模板在烧结过程中会损失一部分的微细结构，如荷叶经过真空烧结后其表面的微绒毛便不复存在，在一定程度上损失了原模板的结构多级复杂程度(Wang,T,et al.Hydrophobic properties ofbiomorphic carbon surfaces prepared by sintering lotus leaves.Ceram.Int.2013,39,8165–8172)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法，该方法高程度借鉴自然，利用荷叶、粽叶等超疏水性植物叶片作为模板，通过非氧化气氛保护烧结的方法可获得高保真的叶片构造的碳素模板，再在其表面电镀一层薄铜层，并用低表面能物质加以修饰，制得超疏水铜表面。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法，具体步骤如下：
步骤1，将干燥的超疏水性植物叶片置于非氧化性气氛中烧结，烧结温度大于600℃，升温速率不大于5℃/min，制得具有植物叶片结构的碳素模板；
步骤2，将碳素模板作为阴极，在0.1～0.7mol/L硫酸铜溶液中电镀1～5min，电流密度为0.02～0.04A/cm2，至碳素模板表面附着一层铜层为止；
步骤3，将表面镀铜的碳素模板浸泡在氟硅烷的体积分数为10％～20％的异丙醇和氟硅烷的混合溶液中，浸泡结束后取出干燥，得到具有植物叶片结构超疏水铜表面。
优选地，步骤1中，所述的超疏水性植物叶片为荷叶或粽叶，所述的非氧化性气氛为氩气或氮气，所述的烧结温度为600～800℃，升温速率为1～2℃/min。
优选地，步骤2中，所述的硫酸铜溶液浓度为0.3～0.5mol/L。
优选地，步骤3中，所述的浸泡时间为6～10天。
本发明利用超疏水性植物叶片为模板，将其在非氧化性气氛中烧结，烧结时叶片中的有机物发生分解，氧、氢、氮和部分碳转变为气体挥发，而其中的绝大部分碳元素则保留下来，并且叶片表面的微纳米凸起构造在烧结过程中也被保留下来，从而形成具有植物叶片微观构造的碳素模板。将碳素模板作为电解池阴极，在硫酸铜溶液中进行电镀，可以在其表面得到一层较薄的铜镀层，该铜镀层具有和原植物叶片模板相仿的结构。该铜表面在低表面能的氟硅烷溶液中浸泡过程中，氟硅烷通过水解和缩聚在铜镀层表面形成极薄的覆盖层。当水落在铜表面上，微纳米凸起间隙中的空气会被锁定，水与铜表面之间形成一层极薄的空气层，水只与凸起尖端点接触，表面黏附作用力很弱，因此水在表面张力作用下可凝成水珠，并能在叶片表面随意滚动，从而实现超疏水性。
附图说明
图1是实施例1中制得的具有荷叶结构的超疏水铜表面材料的XRD图谱。
图2是实施例1中制得的具有荷叶结构的超疏水铜表面材料的微观构造图。
图3是实施例1中制得的具有荷叶结构的超疏水铜表面材料的接触角图。
图4是实施例2中制得的具有粽叶结构的超疏水铜表面材料的接触角图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
步骤1，将荷叶置于100℃烘箱中烘烤干燥48小时后，置于氩气气氛炉中以1℃/分钟的升温速率加热至800℃，制得具有荷叶微观构造的碳素模板；
步骤2，将碳素模板作为电解池的阴极电极，在硫酸铜溶液中进行电镀，硫酸铜溶液浓度为0.5mol/L，电流密度采用0.04A/cm2，控制电镀时间为1min，获得具有荷叶微观构造的铜表面；
步骤3，将表面镀铜的碳素模板浸泡氟硅烷的体积分数为20％的异丙醇和氟硅烷的混合溶液中，浸泡6天后取出晾干，制得具有荷叶微观构造的超疏水铜表面；
图1为制得铜表面的X衍射图谱，从衍射峰可知该材料包含铜和氧化铜。图2为制得的铜表面微观构造的扫描电镜照片，可见该陶瓷很好地遗留了荷叶表面微纳米凸起的微观构造，该构造对于铜表面材料具有超疏水性能起到关键作用。图3为制得的超疏水铜表面与水的接触角，θ接触角＝160°，达到超疏水性。
实施例2
步骤1，将荷叶置于80℃烘箱中烘烤干燥24小时后，置于氩气气氛炉中以5℃/分钟的升温速率加热至600℃，制得具有荷叶微观构造的碳素模板；
步骤2，将碳素模板作为电解池的阴极电极，在硫酸铜溶液中进行电镀，硫酸铜溶液浓度为0.3mol/L，电流密度采用0.04A/cm2，控制电镀时间为5min，获得具有荷叶微观构造的铜表面；
步骤3，将表面镀铜的碳素模板浸泡氟硅烷的体积分数为20％的异丙醇和氟硅烷的混合溶液中，浸泡5天后取出晾干，制得具有荷叶微观构造的超疏水铜表面。该超疏水铜表面与水的接触角，θ接触角＝151°，达到超疏水性。
实施例3
步骤1，将粽叶置于120℃烘箱中烘烤干燥24小时后，置于氮气气氛炉中以2℃/分钟的升温速率加热至600℃，制得具有粽叶微观构造的碳素模板；
步骤2，将碳素模板作为电解池的阴极电极在硫酸铜溶液中进行电镀，硫酸铜溶液浓度0.1mol/L，电流密度采用0.03A/cm2，控制电镀时间5min，获得具有粽叶微观构造的铜表面；
步骤3，将表面镀铜的碳素模板浸泡氟硅烷的体积分数为15％的异丙醇和氟硅烷的混合溶液中，浸泡10天后取出晾干，即制得具有粽叶微观构造的超疏水铜表面。图4为制得的超疏水铜表面与水的接触角，θ接触角＝155°，达到超疏水性。
实施例4
步骤1，将粽叶置于120℃烘箱中烘烤干燥24小时后，置于氮气气氛炉中以2℃/分钟的升温速率加热至600℃，制得具有粽叶微观构造的碳素模板；
步骤2，将碳素模板作为电解池的阴极电极在硫酸铜溶液中进行电镀，硫酸铜溶液浓度0.7mol/L，电流密度采用0.02A/cm2，控制电镀时间3min，获得具有粽叶微观构造的铜表面；
步骤3，将表面镀铜的碳素模板浸泡氟硅烷的体积分数为10％的异丙醇和氟硅烷的混合溶液中，浸泡10天后取出晾干，即制得具有粽叶微观构造的超疏水铜表面。该超疏水铜表面与水的接触角，θ接触角＝153°，达到超疏水性。

Claims (4)

1.一种制备具有植物叶片结构超疏水铜表面的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将干燥的超疏水性植物叶片置于非氧化性气氛中烧结，烧结温度大于600℃，升温速率不大于5℃/min，制得具有植物叶片结构的碳素模板；
步骤2，将碳素模板作为阴极，在0.1～0.7mol/L硫酸铜溶液中电镀1～5min，电流密度为0.02～0.04A/cm2，至碳素模板表面附着一层铜层为止；
步骤3，将表面镀铜的碳素模板浸泡在氟硅烷的体积分数为10％～20％的异丙醇和氟硅烷的混合溶液中，浸泡结束后取出干燥，得到具有植物叶片结构超疏水铜表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的超疏水性植物叶片为荷叶或粽叶，所述的非氧化性气氛为氩气或氮气，所述的烧结温度为600～800℃，升温速率为1～2℃/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的硫酸铜溶液浓度为0.3～0.5mol/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的浸泡时间为6～10天。
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