CN106733555B - 一种可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面及其构建方法，所述超疏水表面构建有第一格栅阵列(1)和第二格栅阵列(2)，且所述第一格栅阵列(1)和第二格栅阵列(2)中的格栅阵列相互垂直但不交叉；所述第一格栅阵列(1)不贯穿超疏水表面，第二格栅阵列(2)贯穿超疏水表面；在所述第一格栅阵列(1)和第二格栅阵列(2)结构表面生长有纳米线阵列结构，进行液滴撞击试验时，液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的第一格栅方向偏离，且偏离角度θ均大于5°，具有定向运动的特性。依据本发明提供的方法，制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面对于超疏水表面工业化应用具有重要的实践意义。

Description

一种可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面及其构建方法
技术领域
本发明属于金属基体表面处理技术领域，特别涉及可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面及其构建方法。制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面对促进超疏水表面的工业化应用和基础研究具有重要的实践意义。
背景技术
仿生超疏水表面(指表观接触角大于150°，滚动角小于10°)因其具有优异的自清洁性、防腐蚀性、流体减阻、防覆冰以及防水性能，在工业生产、日常生活及国防装备中展示出较强的应用潜力，而引起了各国科研工作者的广泛研究兴趣，期望能够在金属材料、无机材料和高分子材料基体表面实现功能化复制[1-3]。
研究表明，一定尺度的微/纳米复合结构能够在固/液界面处形成一层特殊气膜，使液滴不能够润湿固体表面，从而达到超疏水效果。超疏水表面特殊的复合接触界面引起了较小的实际固/液接触面积，进而产生强烈的表面斥水性能迫使以一定速度落到固体表面的液滴，能够在较短时间内反弹离开固体表面。
设计研究出一种特殊的微观结构，能够迫使撞击液滴在反弹离开超疏水表面之后能够按照所预想的方向运动，对于超疏水材料的工业化使用和基础研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面及其构建方法，以研究液滴在撞击超疏水表面后的反弹定向运动机制，从而达到控制水滴反弹运动方向的目的。
本发明的技术方案如下：
一种可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，所述超疏水表面构建有第一格栅阵列1和第二格栅阵列2，且所述第一格栅阵列1和第二格栅阵列2中的格栅阵列相互垂直但不交叉；所述第一格栅阵列1不贯穿超疏水表面，第二格栅阵列2贯穿超疏水表面；在所述第一格栅阵列1和第二格栅阵列2结构表面生长有纳米线阵列结构。
所述的超疏水表面，所述超疏水表面的基体材料为金属基体材料钛及其合金材料。
所述的超疏水表面，所述第一格栅阵列1中的格栅较第二格栅阵列2中的格栅稀疏。
所述的超疏水表面，所述第一格栅阵列1和第二格栅阵列2中的格栅高度、宽度相同。
所述的超疏水表面，第二格栅阵列2中的格栅尺寸为：高度为0.5～0.9mm，宽度为0.1～0.15mm，格栅间隔距离为0.1～0.25mm；第一格栅阵列1中的格栅尺寸为：高度为0.5～0.9mm，宽度为0.1～0.15mm，格栅间隔距离为0.25～0.8mm。
所述的超疏水表面，第二格栅阵列2中的格栅间隔距离为0.25mm；第一格栅阵列1中的格栅间隔距离为0.25～0.65mm，优选为0.35、0.45、0.55、0.65。
所述的超疏水表面的构建方法，包括以下步骤：
1)采用金相砂纸对基体进行打磨，直至表面没有明显划痕，并进行抛光处理，最后采用去离子水、丙酮、无水乙醇以及去离子水依次进行超声清洗并晾干待用；
2)采用超精细铣床加工工艺对钛合金表面进行加工制成所述第一格栅阵列1和第二格栅阵列2；
3)采用水热处理方法，在上述格栅结构表面生长纳米线阵列结构；
4)最后，将试样置入十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中浸渍一定时间后，随后在烘箱中热烘以获得含有微纳米复合结构的超疏水表面。
所述的构建方法，所述步骤1)中的表面预处理过程为：依次采用1～6号金相砂纸打磨金属基体材料表面，随后进行机械抛光处理，直至在显微镜下观察无明显划痕为止，并依次在去离子水、丙酮以及无水乙醇中超声清洗10min，晾干备用。
所述的构建方法，所述步骤3)中水热合处理方法制备纳米线过程为：将步骤2)加工成的格栅试样置于反应釜内衬中，加入0.5～1.5M的NaOH水溶液后放入一定温度的烘箱中保温一定时间，待冷却至室温后取出洗净，随后放入0.5～1.5M的HCl稀溶液中浸泡25～35min后洗净，最后进行退火处理；水热反应温度设置为180～240℃，反应时间为1～4h，退火处理工艺条件为500℃，保温3h，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
所述的构建方法，所述步骤4)氟硅烷修饰过程，所用FAS-17乙醇溶液溶度为0.5～1.5wt％、浸渍时间为20～28h、烘箱温度控制为100～150℃、热烘时间为1～3h，即可获得可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面。
进行液滴撞击试验时，液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的第一格栅方向偏离，且偏离角度θ均大于5°(如附图3所示)，具有定向运动的特性。依据本发明提供的方法，制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面对于超疏水表面工业化应用具有重要的实践意义。
采用本发明的方法制备的超疏水表面具有以下特点：
1)制备的钛合金格栅经过水热处理和氟硅烷修饰后，具有较高的超疏水特性，表
面静态接触角达到170°。
2)表面动态撞击液滴的接触反弹时间缩短至5.6ms。
3)撞击液滴在超疏水表面具有反弹定向运动的特性。
附图说明
图1为本发明中利用超精细铣床加工的亚毫米级格栅结构示意图；
图2为本发明中在亚毫米级格栅结构表面制备的纳米结构形貌图；
图3为本发明中撞击液滴定向反弹离开试样表面示意图；
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益结果有更加清楚的理解和认识，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本发明的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以TC4钛合金为基体材料，利用线切割将基体材料加工成10mm×10mm×5mm大小，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显的划痕，并在去离子水、丙酮、无水乙醇及去离子水中超声清洗10min，晾干待用；
第二步，采用超精细铣削加工处理试样，获得亚毫米级格栅结构表面，且格栅方向相互垂直分别为完全贯穿试样表面方向和未贯穿试样表面方向。完全贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.25mm；未贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.25mm。
第三步，将获得的亚毫米级格栅结构试样置于反应釜内衬中(容积为50ml)，然后加入30ml 1M的NaOH水溶液，拧紧反应釜后放入事先已加热到220℃的烘箱中保温3h，待反应釜自然冷却至室温后，取出试样并冲洗干净。随后，将试样放入1M的HCl稀溶液中浸泡30min，取出试样再次洗净。最后，将洗净的试样放入马弗炉中进行退火处理(升温速率为2℃/min)，在500℃下保温3h，随炉冷却至室温取出试样，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
第四步，随后将试样置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍24h后在120℃的烘箱中热烘2h，获得最终的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面试样。
依照上述实施步骤制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，其表面静态接触角为168°，撞击液滴在试样表面的接触反弹时间为5.6ms，同时撞击液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的格栅方向偏离，且偏离角度θ为6°左右，显示出较理想的撞击液滴反弹定向运动特性。
实施例2
本发明的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以纯钛为基体材料，利用线切割将基体材料加工成10mm×10mm×5mm大小，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显的划痕，并在去离子水、丙酮、无水乙醇及去离子水中超声清洗10min，晾干待用；
第二步，采用超精细铣削加工处理试样，获得亚毫米级格栅结构表面，且格栅方向相互垂直分别为完全贯穿试样表面方向和未贯穿试样表面方向。完全贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.25mm；未贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.35mm。
第三步，将获得的亚毫米级格栅结构试样置于反应釜内衬中(容积为50ml)，然后加入30ml 1M的NaOH水溶液，拧紧反应釜后放入事先已加热到220℃的烘箱中保温3h，待反应釜自然冷却至室温后，取出试样并冲洗干净。随后，将试样放入1M的HCl稀溶液中浸泡30min，取出试样再次洗净。最后，将洗净的试样放入马弗炉中进行退火处理(升温速率为2℃/min)，在500℃下保温3h，随炉冷却至室温取出试样，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
第四步，随后将试样置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍24h后在120℃的烘箱中热烘2h，获得最终的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面试样。
依照上述实施步骤制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，其表面静态接触角大于160°，撞击液滴在试样表面的接触反弹时间为5.8ms，同时撞击液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的格栅方向偏离，且偏离角度θ为8°左右，显示出较理想的撞击液滴反弹定向运动特性。
实施例3
本发明的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以TC4钛合金为基体材料，利用线切割将基体材料加工成10mm×10mm×5mm大小，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显的划痕，并在去离子水、丙酮、无水乙醇及去离子水中超声清洗10min，晾干待用；
第二步，采用超精细铣削加工处理试样，获得亚毫米级格栅结构表面，且格栅方向相互垂直分别为完全贯穿试样表面方向和未贯穿试样表面方向。完全贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.25mm；未贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.45mm。
第三步，将获得的亚毫米级格栅结构试样置于反应釜内衬中(容积为50ml)，然后加入30ml 1M的NaOH水溶液，拧紧反应釜后放入事先已加热到220℃的烘箱中保温3h，待反应釜自然冷却至室温后，取出试样并冲洗干净。随后，将试样放入1M的HCl稀溶液中浸泡30min，取出试样再次洗净。最后，将洗净的试样放入马弗炉中进行退火处理(升温速率为2℃/min)，在500℃下保温3h，随炉冷却至室温取出试样，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
第四步，随后将试样置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍24h后在120℃的烘箱中热烘2h，获得最终的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面试样。
依照上述实施步骤制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，其表面静态接触角大于160°，撞击液滴在试样表面的接触反弹时间为5.8ms，同时撞击液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的格栅方向偏离，且偏离角度θ为11°左右，显示出较理想的撞击液滴反弹定向运动特性。
实施例4
本发明的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以TC4钛合金为基体材料，利用线切割将基体材料加工成10mm×10mm×5mm大小，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显的划痕，并在去离子水、丙酮、无水乙醇及去离子水中超声清洗10min，晾干待用；
第二步，采用超精细铣削加工处理试样，获得亚毫米级格栅结构表面，且格栅方向相互垂直分别为完全贯穿试样表面方向和未贯穿试样表面方向。完全贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.25mm；未贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.55mm。
第三步，将获得的亚毫米级格栅结构试样置于反应釜内衬中(容积为50ml)，然后加入30ml 1M的NaOH水溶液，拧紧反应釜后放入事先已加热到220℃的烘箱中保温3h，待反应釜自然冷却至室温后，取出试样并冲洗干净。随后，将试样放入1M的HCl稀溶液中浸泡30min，取出试样再次洗净。最后，将洗净的试样放入马弗炉中进行退火处理(升温速率为2℃/min)，在500℃下保温3h，随炉冷却至室温取出试样，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
第四步，随后将试样置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍24h后在120℃的烘箱中热烘2h，获得最终的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面试样。
依照上述实施步骤制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，其表面静态接触角大于160°，撞击液滴在试样表面的接触反弹时间为5.8ms，同时撞击液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的格栅方向偏离，且偏离角度θ为15°左右，显示出较理想的撞击液滴反弹定向运动特性。
实施例5
本发明的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以TC4钛合金为基体材料，利用线切割将基体材料加工成10mm×10mm×5mm大小，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显的划痕，并在去离子水、丙酮、无水乙醇及去离子水中超声清洗10min，晾干待用；
第二步，采用超精细铣削加工处理试样，获得亚毫米级格栅结构表面，且格栅方向相互垂直分别为完全贯穿试样表面方向和未贯穿试样表面方向。完全贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.25mm；未贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.65mm。
第三步，将获得的亚毫米级格栅结构试样置于反应釜内衬中(容积为50ml)，然后加入30ml 1M的NaOH水溶液，拧紧反应釜后放入事先已加热到220℃的烘箱中保温3h，待反应釜自然冷却至室温后，取出试样并冲洗干净。随后，将试样放入1M的HCl稀溶液中浸泡30min，取出试样再次洗净。最后，将洗净的试样放入马弗炉中进行退火处理(升温速率为2℃/min)，在500℃下保温3h，随炉冷却至室温取出试样，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
第四步，随后将试样置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍24h后在120℃的烘箱中热烘2h，获得最终的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面试样。
依照上述实施步骤制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，其表面静态接触角大于160°，撞击液滴在试样表面的接触反弹时间为5.9ms，同时撞击液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的格栅方向偏离，且偏离角度θ为20°左右，显示出较理想的撞击液滴反弹定向运动特性。
实施例6
本发明的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以TC4钛合金为基体材料，利用线切割将基体材料加工成10mm×10mm×5mm大小，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显的划痕，并在去离子水、丙酮、无水乙醇及去离子水中超声清洗10min，晾干待用；
第二步，采用超精细铣削加工处理试样，获得亚毫米级格栅结构表面，且格栅方向相互垂直分别为完全贯穿试样表面方向和未贯穿试样表面方向。完全贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.25mm；未贯穿试样表面方向的格栅尺寸为：高度为0.8mm，宽度为0.1mm，间隔距离为0.65mm。
第三步，将获得的亚毫米级格栅结构试样置于反应釜内衬中(容积为50ml)，然后加入30ml 1M的NaOH水溶液，拧紧反应釜后放入事先已加热到220℃的烘箱中保温2h，待反应釜自然冷却至室温后，取出试样并冲洗干净。随后，将试样放入1M的HCl稀溶液中浸泡30min，取出试样再次洗净。最后，将洗净的试样放入马弗炉中进行退火处理(升温速率为2℃/min)，在500℃下保温3h，随炉冷却至室温取出试样，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
第四步，随后将试样置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍24h后在120℃的烘箱中热烘2h，获得最终的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面试样。
依照上述实施步骤制备的可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，其表面静态接触角大于160°，撞击液滴在试样表面的接触反弹时间为6.2ms，同时撞击液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的格栅方向偏离，且偏离角度θ为20°左右，显示出较理想的撞击液滴反弹定向运动特性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面，其特征在于，所述超疏水表面构建有第一格栅阵列（1）和第二格栅阵列（2），且所述第一格栅阵列（1）和第二格栅阵列（2）中的格栅阵列相互垂直但不交叉，所述第一格栅阵列（1）不贯穿超疏水表面，第二格栅阵列（2）贯穿超疏水表面，在所述第一格栅阵列（1）和第二格栅阵列（2）结构表面生长有纳米线阵列结构，第一格栅阵列（1）中的格栅尺寸为：高度为0.5~0.9 mm，宽度为0.1~0.15 mm，格栅间隔距离为0.25~0.8 mm，第二格栅阵列（2）中的格栅尺寸为：高度为0.5~0.9 mm，宽度为0.1~0.15 mm，格栅间隔距离为0.1~0.25 mm；液滴反弹离开试样表面后均朝向未贯穿试样表面的第一格栅方向偏离，所述第一格栅阵列（1）和第二格栅阵列（2）需满足以下条件A或B：
A:所述第一格栅阵列（1）中的格栅较第二格栅阵列（2）中的格栅稀疏；
B:所述第一格栅阵列（1）的格栅高度和第二格栅阵列（2）的格栅高度相同，且所述第一格栅阵列（1）的格栅宽度和第二格栅阵列（2）的格栅宽度相同。
2.根据权利要求1所述的超疏水表面，其特征在于，所述超疏水表面的基体材料为金属基体材料钛及其合金材料。
3.根据权利要求1所述的超疏水表面，其特征在于，第二格栅阵列（2）中的格栅间隔距离为0.25mm；第一格栅阵列（1）中的格栅间隔距离为0.25~0.65mm。
4.根据权利要求3所述的超疏水表面，其特征在于，第一格栅阵列（1）中的格栅间隔距离为0.35、0.45、0.55、0.65 mm。
5.根据权利要求1-4任一所述的超疏水表面的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用金相砂纸对基体进行打磨，直至表面没有明显划痕，并进行抛光处理，最后采用去离子水、丙酮、无水乙醇以及去离子水依次进行超声清洗并晾干待用；
2）采用超精细铣床加工工艺对基体表面进行加工制成所述第一格栅阵列（1）和第二格栅阵列（2）；
3）采用水热处理方法，在上述格栅结构表面生长纳米线阵列结构；
4）最后，将试样置入十七氟硅烷乙醇溶液中浸渍一定时间后，随后在烘箱中热烘以获得含有微纳米复合结构的超疏水表面。
6.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于，所述步骤1)中的表面预处理过程为：依次采用1~6号金相砂纸打磨金属基体材料表面，随后进行机械抛光处理，直至在显微镜下观察无明显划痕为止，并依次在去离子水、丙酮、无水乙醇以及去离子水中超声清洗10min，晾干备用。
7.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于，所述步骤3）中水热处理方法制备纳米线过程为：将步骤2）加工成的格栅试样置于反应釜内衬中，加入0.5~1.5 M的NaOH水溶液后放入一定温度的烘箱中保温一定时间，待冷却至室温后取出洗净，随后放入0.5~1.5 M的HCl稀溶液中浸泡25~35 min后洗净，最后进行退火处理；所述一定温度为180~240 ℃，所述保温一定时间为1~4 h，退火处理工艺条件为500 ℃，保温3 h，即可在亚毫米级格栅结构表面获得纳米线结构。
8.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于，所述步骤4）中，所用十七氟硅烷乙醇溶液溶度为0.5~1.5 wt%、浸渍时间为20~28 h、烘箱温度控制为100~150 ℃、热烘时间为1~3 h，即可获得可控制撞击液滴反弹方向的超疏水表面。
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