CN106624086A - 金属基水中拒油表面及其加工方法 - Google Patents

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许金凯
于占江
王志超
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李一全
李晓舟
弯艳玲
董宾
徐哲
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Abstract

本发明公开了一种金属基水中拒油表面及其加工方法，属于界面材料改性技术领域。解决了现有技术中拒油表面的加工方法成本高、工艺复杂、不能批量生产、加工周期长及加工面积小等缺点。本发明的金属基水中拒油表面，以金属材料为基底，表面加工有沟槽或方柱阵列结构，其加工过程是以金属件作为加工对象，在金属件表面进行精密微铣削加工，然后将加工得到的金属件超声清洗，以除去表面的杂质，得到金属基水中拒油表面。本发明在拒油表面水下对油滴的接触角均大于150°，且具有对油滴低粘附的特性，加工方法较为简单，处理过程易于实现，且可以大面积加工，适用于工业化生产。

Description

金属基水中拒油表面及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种金属基水中拒油表面及其加工方法，属于界面材料改性技术领域。
背景技术
水中拒油表面的设计是功能材料研究的主要方向。水中拒油表面是指在油/水/固三相体系中，油滴在固体表面的静态接触角大于150°，且具有极低的粘附性。一般来说水中拒油表面应该是在油/水/固三相体系中，油滴在固体表面既具有较大的静态接触角又具有较小的滚动角。自然界中存在着生物水中拒油表面，例如荷叶下表面、鱼鳞和贝壳表面等。通过模仿他们的表面形态，人造的水中拒油表面在自清洁、防污染、油/水分离和油滴操纵等方面存在巨大的应用价值。利用水中拒油表面的物理和化学特性来吸收水分子形成水化层，减少接触有机液体，从而实现水中拒油功能。然而，大部分的水中拒油表面通常是以柔软的材料(聚合物或胶体材料)作为基底，在较小机械作用下也会产生材料变形或表面损坏，失去水中拒油性能。
目前，已报道的制备水中拒油表面方法有很多，包括等离子体刻蚀，溶胶-凝胶法，电聚合，光聚合，模板法，层层自组装，化学气相沉积和飞秒激光加工等，但这些方法在制备过程中表现出成本高、工艺复杂、不能批量生产、制备周期长及制备面积小等缺点，使得水中拒油表面的大规模工业生产和应用受到了极大的限制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种金属基水中拒油表面及其加工方法。
本发明提供的金属基水中拒油表面，以金属材料为基底，表面加工有微结构。
进一步的，所述金属材料为铝合金、黄铜、钛合金或不锈钢。
进一步的，所述微结构为沟槽阵列结构或方柱阵列结构，沟槽阵列结构凸起宽度a为50-200μm，微结构间距b为100-200μm，方柱长度c和宽度c分别为25μm-150μm，微结构高度h为50μm以上。
进一步的，所述金属基水中拒油表面在水下油的接触角为153-163°。
进一步的，所述金属基水中拒油表面拒油种类为二氯乙烷、三氯甲烷、煤油、大豆油以及重油。
本发明还提供上述金属基水中拒油表面的加工方法，包括如下步骤：
步骤一、开启微铣削加工机床的稳压电源，待机床显示屏显示各轴位置情况，调节速率将各轴归零，调出机床热机程序，进行机床热机；
步骤二、机床热机后，将待加工金属件装卡到微铣削加工机床的加工平台上，利用测头测出待加工金属件的坐标点；
步骤三、用网线将电脑与微铣削加工机床相连，将待加工金属件表面微结构的程序从电脑中导入机床，从机床程序库中调出所述程序使机床开始加工，机床根据程序在待加工金属件表面加工微结构，同时开启冷却液，待加工结束后，卸下金属件；
步骤四、将卸下的金属件超声清洗，得到金属基水中拒油表面。
进一步的，所述步骤一的过程为：打开微铣削加工机床电闸开关，开启三相稳压电源，旋转机床开关到ON，待机床显示屏显示各轴位置情况，按下使能开关，然后同时按下Ref和绿色开关，调节速率将各轴归零，之后调出机床热机程序，机床热机20-30分钟。
进一步的，所述步骤二的过程为：将夹具基准面擦拭干净，将待加工金属件装夹到机床夹具上，再利用测头在金属件平面上均匀取5个点测出Z值，然后算出平均值，即得到待加工金属件坐标点。
进一步的，步骤三中，在加工微结构之前，采用直径4-6mm铣刀对待加工金属件表面进行平整精加工。
进一步的，步骤三中，所述机床的加工参数为：刀具直径为0.15-1mm，机床转速为5000-42000转/分钟，进给速度为100-1000mm/min，切削深度为20-50μm。
进一步的，步骤三中，所述冷却液为蒸馏水或去离子水。
进一步的，步骤四中，所述的超声清洗的过程为：将加工得到的金属件依次放入无水乙醇和去离子水中分别进行超声清洗10min，以去除表面残留物。
进一步的，步骤四前，还包括，用气枪将金属件表面清理干净，卸下金属件，打扫机床。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的金属基水中拒油表面具备优异的拒油性质，对油滴具有低粘附性，水下油的接触角为153-163°，表现出水下超疏水性能，适用于二氯乙烷、三氯甲烷、煤油、大豆油以及重油；
本发明的金属基水中拒油表面的加工方法使用精密微铣削设备加工水中拒油表面，一步即可以完成加工，制备工艺简单、设备成本低、制备周期短；
本发明的金属基水中拒油表面的加工方法可以直接在金属材料表面加工微结构，大大降低了加工成本，并提升了加工效率；
本发明的金属基水中拒油表面的加工方法可以方便的在金属材料表面实现较大面积水中拒油表面的加工，可实现水中拒油表面的批量化生产。
附图说明
图1为沟槽阵列结构的金属基水中拒油表面的结构示意图；
图2为方柱阵列结构的金属基水中拒油表面的结构示意图；
图3为实施例1的铝合金沟槽阵列结构(a＝100μm，b＝100μm，h＝150μm)水中拒油表面的水下油接触角。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明专利要求的限制。
本发明的金属基水中拒油表面，以金属材料为基底，表面加工有沟槽阵列结构或方柱阵列结构，沟槽阵列结构试样共加工10组，如图1所示，其中，a表示沟槽阵列结构凸起宽度，b表示微结构间距，c×c表示方柱长度×宽度，h表示微结构高度。常用的h为50μm以上，优选50-150μm，b为100-200μm，a为50-200μm，c为25μm-150μm。
上述金属基水中拒油表面的加工方法，包括如下步骤：
步骤一、打开微铣削加工机床的电闸开关，开启三相稳压电源，旋转机床开关到ON，待机床显示屏显示各轴位置情况，按下使能开关，然后同时按下Ref和绿色开关，调节速率将各轴归零，之后调出机床热机程序，机床热机20-30分钟。
步骤二、机床热机后，将夹具基准面擦拭干净，将待加工金属件装夹到机床夹具上，再利用测头在金属件平面上均匀取5个点测出Z值，然后算出平均值，即得到待加工金属件坐标点。
步骤三、用网线将电脑与微铣削加工机床相连，将待加工金属件表面微结构的程序从电脑中导入机床，从机床程序库中调出所述程序使机床开始加工，机床根据程序在待加工金属件表面加工微结构，加工参数为：刀具直径为0.15-1mm，机床转速为5000-42000转/分钟，进给速度为100-1000mm/min，同时开启冷却液，冷却液为蒸馏水或去离子水，待加工结束后，用气枪将金属件表面清理干净，卸下金属件，打扫机床；
其中，待加工金属件表面微结构的程序可以预先在电脑中编写，根据待加工的微结构的形状编写程序为机床加工中的常规过程。
步骤四、将加工得到的金属件依次放入无水乙醇和去离子水中分别进行超声清洗10min，以去除表面残留物，得到金属基水中拒油表面。该金属基水中拒油表面在水下油的接触角为150°以上，一般为153-163°，适用于二氯乙烷、三氯甲烷、煤油、大豆油以及重油。
以下结合实施例进一步说明本发明。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
铝合金水中拒油表面，以铝合金为基底，表面加工有沟槽阵列结构或方柱阵列结构。
上述铝合金水中拒油表面的加工方法：
步骤一、打开微铣削加工机床的电闸开关，开启三相稳压电源，旋转开关到ON，待机床显示屏显示各轴位置情况，按下使能开关，然后同时按下Ref和绿色开关，调节速率将各轴归零，之后调出机床热机程序，机床热机20分钟。
步骤二、将夹具基准面擦拭干净，将所加工铝合金试样装夹到机床夹具上，再利用测头在铝合金试样上平面均匀取5个点测出Z值，然后算出平均值，即铝合金试样坐标点。
步骤三、用网线将电脑与微铣削加工机床相连，将待加工铝合金试样表面微结构的程序从电脑中导入机床，从机床程序库中调出所述程序使机床开始加工，机床根据程序在待加工铝合金试样表面加工微结构，加工参数为：刀具直径为1mm，机床转速为10000转/分钟，进给速度为500mm/min，同时开启冷却液，冷却液为蒸馏水，待加工结束后，用气枪将铝合金试样表面清理干净，卸下铝合金试样，打扫机床；
其中，为便于测试，加工的微结构，分为十组沟槽阵列结构，高度h均为150μm，其他结构参数如表1所示，五组方柱阵列结构，间距b均为100μm，高度h均为150μm，其他结构参数如表2所示。
步骤四、将加工得到的铝合金试样依次放入无水乙醇和去离子水分别进行超声清洗10min，以去除表面残留物，得到铝合金水中拒油表面。
对铝合金水中拒油表面进行油滴的静态接触角测量，在不同的5个位置测量了静态接触角，沟槽阵列结构表面接触角结果见表1，方柱阵列结构表面接触角结果见表2。其中，如图3所示，沟槽阵列结构表面(a＝100μm，b＝100μm，h＝150μm)静态接触角达到了158.5°。
实施例2
黄铜水中拒油表面，以黄铜为基底，表面加工有沟槽阵列结构或方柱阵列结构。
上述黄铜水中拒油表面的加工方法：
步骤一、加工前，打开微铣削加工机床的电闸开关，开启三相稳压电源，旋转机床开关到ON。待机床显示屏显示各轴位置情况，按下使能开关，然后同时按下Ref和绿色开关，调节速率将各轴归零，之后调出机床热机程序，机床热机30分钟。
步骤二、将夹具基准面擦拭干净，将所加工黄铜试样装夹到机床夹具上，再利用测头在黄铜试样上平面均匀取5个点测出Z值，然后算出平均值，即黄铜试样坐标点。
步骤三、用网线将电脑与微铣削加工机床相连，将待加工黄铜试样表面微结构的程序从电脑中导入机床，从机床程序库中调出所述程序使机床开始加工，机床根据程序在待加工黄铜试样表面加工微结构，加工参数为：刀具直径为0.5mm，机床转速为5000转/分钟，进给速度为1000mm/min，切削深度为50μm，同时开启冷却液，冷却液为蒸馏水，待加工结束后，用气枪将工件表面清理干净，卸下黄铜试样，打扫机床；
其中，为便于测试，加工的微结构，分为十组沟槽阵列结构，高度h均为150μm，其他结构参数如表1所示，五组方柱阵列结构，间距b均为100μm，高度h均为150μm，其他结构参数如表2所示。
步骤四、将加工得到的黄铜试样依次放入无水乙醇和去离子水分别进行超声清洗10min，以去除表面残留物，得到黄铜水中拒油表面。
对黄铜水中拒油表面进行油滴的静态接触角测量，在不同的5个位置测量了静态接触角，沟槽阵列结构表面接触角结果见表1，方柱阵列结构表面接触角结果见表2。
实施例3
钛合金水中拒油表面，以钛合金为基底，表面加工有表面加工有沟槽阵列结构或方柱阵列结构。
上述钛合金基水中拒油表面的加工方法：
步骤一、加工前，打开微铣削加工机床的电闸开关，开启三相稳压电源，旋转机床开关到ON。待机床显示屏显示各轴位置情况，按下使能开关，然后同时按下Ref和绿色开关，调节速率将各轴归零，之后调出机床热机程序，机床热机25分钟。
步骤二、将夹具基准面擦拭干净，将所加工钛合金试样装夹到机床夹具上，再利用测头在钛合金试样上平面均匀取5个点测出Z值，然后算出平均值，即钛合金试样坐标点。
步骤三、用网线将电脑与微铣削加工机床相连，将待加工钛合金试样表面微结构的程序从电脑中导入机床，从机床程序库中调出所述程序使机床开始加工，机床根据程序在待加工钛合金试样表面加工微结构，加工参数为：刀具直径为0.15mm，机床转速为42000转/分钟，进给速度为100mm/min，同时开启冷却液，冷却液为蒸馏水，待加工结束后，用气枪将工件表面清理干净，卸下钛合金试样，打扫机床；
其中，为便于测试，加工的微结构，分为十组沟槽阵列结构，高度h均为150μm，其他结构参数如表1所示，五组方柱阵列结构，间距b均为100μm，高度h均为150μm，其他结构参数如表2所示。
步骤四、将加工得到的钛合金试样依次放入无水乙醇和去离子水分别进行超声清洗10min，以去除表面残留物。
对钛合金水中拒油表面进行油滴的静态接触角测量，在不同的5个位置测量了静态接触角，沟槽阵列结构表面接触角结果见表1，方柱阵列结构表面接触角结果见表2。
实施例4
不锈钢水中拒油表面，以不锈钢为基底，表面加工表面加工有沟槽阵列结构或方柱阵列结构。
上述不锈钢水中拒油表面的加工方法：
步骤一、加工前，打开微铣削加工机床的电闸开关，开启三相稳压电源，旋转机床开关到ON。待机床显示屏显示各轴位置情况，按下使能开关，然后同时按下Ref和绿色开关，调节速率将各轴归零，之后调出机床热机程序，机床热机25分钟。
步骤二、将夹具基准面擦拭干净，将所加工不锈钢试样装夹到机床夹具上，再利用测头在不锈钢试样上平面均匀取5个点测出Z值，然后算出平均值，即不锈钢试样坐标点；
步骤三、用网线将电脑与微铣削加工机床相连，将待加工不锈钢试样表面微结构的程序从电脑中导入机床，从机床程序库中调出所述程序使机床开始加工，机床根据程序在待加工不锈钢试样表面加工微结构，加工参数为：刀具直径为0.7mm，机床转速为20000转/分钟，进给速度为600mm/min，同时开启冷却液，冷却液为蒸馏水，待加工结束后，用气枪将工件表面清理干净，卸下不锈钢试样，打扫机床；
其中，为便于测试，加工的微结构，分为十组沟槽阵列结构，高度h均为150μm，其他结构参数如表1所示，五组方柱阵列结构，间距b均为100μm，高度h均为150μm，其他结构参数如表2所示。
步骤四、将加工得到的不锈钢试样依次放入无水乙醇和去离子水分别进行超声清洗10min，以去除表面残留物，得到不锈钢水中拒油表面。
对不锈钢水中拒油表面进行油滴的静态接触角测量，在不同的5个位置测量了静态接触角，沟槽阵列结构表面接触角结果见表1，方柱阵列结构表面接触角结果见表2。
表1实施例1-4的沟槽阵列结构拒油表面接触角结果
从表1可以看出，本发明的沟槽阵列结构拒油表面具备优异的拒油性质，水下油的接触角为153-163°，表现出水下超疏水性能，且在间距固定的条件下，宽度越小，水下油的接触角越大，在宽度固定的条件下，间距越小，水下油的接触角越大。
表2实施例1-4的方柱阵列结构拒油表面接触角结果
从表2可以看出，本发明的方柱阵列结构拒油表面具备优异的拒油性质，水下油的接触角为154-163°，表现出水下超疏水性能，且随着方柱宽度的增加，水下油的接触角先增大后减小。

Claims (10)

1.金属基水中拒油表面，其特征在于，以金属材料为基底，表面加工有微结构。
2.根据权利要求1所述的金属基水中拒油表面，其特征在于，所述金属材料为铝合金、黄铜、钛合金或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的金属基水中拒油表面，其特征在于，所述微结构为沟槽阵列结构或方柱阵列结构；
沟槽结构凸起宽度a为50-200μm，微结构间距b为100-200μm，方柱长度c和宽度c分别为25μm-150μm，微结构高度h为50μm以上。
4.根据权利要求1所述的金属基水中拒油表面，其特征在于，所述金属基水中拒油表面在水下油的接触角为153-163°，拒油种类为二氯乙烷、三氯甲烷、煤油、大豆油以及重油。
5.权利要求1-4任何一项所述的金属基水中拒油表面的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、开启微铣削加工机床的稳压电源，待机床显示屏显示各轴位置情况，调节速率将各轴归零，调出机床热机程序，进行机床热机；
步骤二、机床热机后，将待加工金属件装卡到微铣削加工机床的加工平台上，利用测头测出待加工金属件的坐标点；
步骤三、用网线将电脑与微铣削加工机床相连，将待加工金属件表面微结构的程序从电脑中导入机床，从机床程序库中调出所述程序使机床开始加工，机床根据程序在待加工金属件表面加工微结构，同时开启冷却液，待加工结束后，卸下金属件；
步骤四、将卸下的金属件超声清洗，得到金属基水中拒油表面。
6.根据权利要求5所述的金属基水中拒油表面的加工方法，其特征在于，所述步骤一的过程为：打开微铣削加工机床电闸开关，开启三相稳压电源，旋转机床开关到ON，待机床显示屏显示各轴位置情况，按下使能开关，然后同时按下Ref和绿色开关，调节速率将各轴归零，之后调出机床热机程序，机床热机20-30分钟。
7.根据权利要求5所述的金属基水中拒油表面的加工方法，其特征在于，所述步骤二的过程为：将夹具基准面擦拭干净，将待加工金属件装夹到机床夹具上，再利用测头在金属件平面上均匀取5个点测出Z值，然后算出平均值，即得到待加工金属件坐标点。
8.根据权利要求5所述的金属基水中拒油表面的加工方法，其特征在于，步骤三中，在加工微结构之前，采用直接4-6mm铣刀对待加工金属件表面进行平整精加工；
步骤三中，所述机床的加工参数为：刀具直径为0.15-1mm，机床转速为5000-42000转/分钟，进给速度为100-1000mm/min；
所述冷却液为蒸馏水或去离子水。
9.根据权利要求5所述的金属基水中拒油表面的加工方法，其特征在于，步骤四中，所述的超声清洗的过程为：将加工得到的金属件依次放入无水乙醇和去离子水中分别进行超声清洗10min，以去除表面残留物。
10.根据权利要求5所述的金属基水中拒油表面的加工方法，其特征在于，步骤四前，还包括，用气枪将金属件表面清理干净，卸下金属件，打扫机床。
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张学蕊: "铝合金表面微结构的高速微铣削加工与疏水性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅰ辑）》 *

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CN109279571A (zh) * 2018-09-19 2019-01-29 山东大学 一种疏水表面微结构以及制备方法
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