CN106835140B - 一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法 - Google Patents

一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法，包括：(1)采用超声清洗方式对金属镍表面进行清洗，将金属镍片表面的油污及杂质去除；(2)配置浓度为10～22wt％磷酸溶液，并将金属镍片置于磷酸溶液中，然后于30℃以上的水浴中进行化学刻蚀，刻蚀时间为14～56h；(3)将刻蚀后的金属镍片取出并冲洗烘干，获得改变湿润性能后的金属镍片。本发明通过磷酸溶液来对金属镍表面进行刻蚀处理，在金属镍表面形成粗糙的微观结构，从而仅通过提高表面粗糙度的方式来改变金属镍的润湿性能，使金属镍表面的疏水性得到提高，进而有效延长了金属镍在潮湿或含有水蒸气条件下的使用寿命，拓宽镍的应用范围。

Description

一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法
技术领域
本发明涉及一种增强金属镍表面疏水性能的方法，具体涉及的是一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法。
背景技术
材料表面的湿润性，是材料的固有性质之一。所谓湿润就是在固体的表面存在少许液体时，新产生的固–液界面取代了之前的气–固界面的现象。表面的润湿性一般分为两种：亲水性和疏水性。亲水性是指材料对水具有亲合力，一般的无机固体、金属及其氧化物等，其表面张力都较大，常称为高能固体表面，易被液体润湿，具有显著的亲水性。疏水性是指材料对水具有排斥作用，一般具有低表面能的物质，例如氟化物等，都具有显著的疏水性；疏水甚至超疏水表面，由于其在表面自清洁、抗腐蚀、流动减阻及微流体无损输送等方面的潜在应用价值而备受关注。
材料表面疏水改性，一般都采用两种途径：1)采用低表面能物质修饰表面，在金属表面形成一个疏水涂层，通常采用一些低表面能或含有疏水基团的有机分子、高聚物等；2)改变表面的微观结构，提高表面粗糙度，从而提高表面的疏水性；当然，某些条件下，也有将上述两种方法结合起来提高材料的疏水性。
在金属材料表面润湿性研究中，不经低表面能修饰就制备出疏水表面对于金属的应用有着重要意义；因为，在某些条件下，并不希望引入有机物，而且某些有机物也会带来环境污染，例如，含氟类物质。这就要求只能通过对金属表面结构改性，改变其表面微观形貌，提高表面粗糙度，使其表面呈现多尺度微观结构，由其表面形态、特殊结构的相互耦合作用实现表面的疏水性。如何在金属基体上制备无修饰层疏水表面一直是疏水性能研究中的热点和难点。
金属镍具有良好的机械强度和较高的化学稳定性，且镍在空气中不易被氧化，对酸和碱的抗蚀能力很强，通常有机酸、盐酸、磷酸和碱性溶液对镍的浸蚀极慢。基于这些优异的性能，金属镍被广泛用于航空、军事、特殊合金、催化剂等领域，但同样的，金属镍也是一种亲水材料。针对镍的疏水改性鲜有报道，目前的相关报道主要有：苗发宏等采用低温水热反应和硬脂酸表面修饰法，在玻璃基片上制备出具有花状微球结构的氢氧化镍超疏水涂层；并以氢氧化镍涂层为前驱体，经过400℃热处理和硬脂酸表面修饰，得到了氧化镍超疏水涂层；田菲菲等利用电镀、化学镀结合的方法在纯铜基体表面制备了镍的纳米结构，获得了超疏水表面。但是这些方案基本上都需要额外引入低表面能物质来提高基体的疏水性能；而不能在不改变基体表面化学组成的情况下，直接提高金属镍表面的疏水性能。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法，适合用于提高金属镍表面疏水性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法，包括以下步骤：
(1)采用超声清洗方式对金属镍表面进行清洗，将金属镍片表面的油污及吸附的杂质去除，具体清洗过程为：
(a)利用无水乙醇对金属镍片表面超声清洗10min以上；
(b)取出金属镍片，并用无水以纯冲洗三遍，然后将金属镍片浸泡在30℃、1M的NaOH溶液中，浸泡时间为30min以上；
(c)将金属镍片在30℃、1M的NaOH溶液中超声30min以上；
(d)将金属镍片取出，分别用丙酮和无水乙醇各自超声清洗20min；
(e)取出金属镍片，用无水乙醇冲洗三遍，然后于室温条件下进行风干；
(2)利用85％的磷酸和去离子水配置浓度为10～22wt％磷酸溶液，并将金属镍片置于磷酸溶液中，然后于30℃以上的水浴中进行化学刻蚀，刻蚀时间为14～56h，并且在刻蚀过程中，每隔1h翻转一次金属镍片表面；
(3)将刻蚀后的金属镍片取出并冲洗烘干，获得疏水性能增强后的金属镍片。
具体地说，所述步骤(3)包括以下步骤：
(3a)取出金属镍片，并用去离子水冲洗；
(3b)冲洗后置于无水以纯中，并于30℃条件下超声清洗10min，再用无水乙醇冲洗三遍；
(3c)冲洗后置于去离子水中，并于30℃条件下超声清洗10min，再用去离子水冲洗三遍；
(3d)将冲洗后的金属镍片置于40℃的加热板上缓慢烘干，且烘干过程中每5min翻转一次金属镍片表面，烘干时间为30min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明工艺简单、操作便捷、对原料和设备要求低，其通过采用简单的磷酸化学刻蚀工艺，将金属镍与磷酸溶液发生化学反应，在金属表面形成特殊的结构和形貌，提高表面粗糙度，从而有效增强了金属镍表面的疏水性。本发明由于不需要对金属镍表面进行修饰，因而生成的疏水表面也不会改变金属镍自身化学成分和化学性质，不影响其后续使用。
(2)本发明对金属镍表面进行清洗分为两步，第一步碱洗可以将加工过程中产生的油污、表面吸附质去除掉，第二步直接通过酸刻蚀，可以将金属镍片表面生成的氧化层去除，不需要额外设法去除其表面的氧化层，节约了时间和成本。并且，在磷酸刻蚀过程中，生成的产物H2和Ni2+、HPO4 2-、H2PO4 -等对环境的影响不大，不会带来严重的污染；同时，在刻蚀过程中，通过翻面，可使镍片两面都与磷酸反应，从而使镍片两面的润湿性接近，不至于差距太大，影响后续使用。
(3)本发明性价比高、实用性强、重复性和选择性好，非常具有应用前景，适于在航空、军事、特殊合金、催化剂等领域中推广应用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为10.0wt％磷酸溶液30℃刻蚀42h的静态接触角测量图。
图3为10.0wt％磷酸溶液30℃刻蚀56h的静态接触角测量图。
图4为15.0wt％磷酸溶液30℃刻蚀35h的静态接触角测量图。
图5为15.0wt％磷酸溶液30℃刻蚀56h的静态接触角测量图。
图6为20.4wt％磷酸溶液30℃刻蚀14h的静态接触角测量图。
图7为20.4wt％磷酸溶液30℃刻蚀49h的静态接触角测量图。
图8为20.4wt％磷酸溶液30℃刻蚀56h的静态接触角测量图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种改变金属镍表面润湿性能的方法，其主要采用了磷酸刻蚀的方式，结合清洗工艺，增强金属镍表面疏水性能，提高其疏水性。本发明主要流程如下：
(1)采用超声清洗方式对金属镍表面进行清洗，将金属镍片表面的油污及吸附的杂质去除，具体清洗过程为：
(a)利用无水乙醇对金属镍片表面超声清洗10min以上；
(b)取出金属镍片，并用无水乙醇冲洗三遍，然后将金属镍片浸泡在30℃、1M的NaOH溶液中，浸泡时间为30min以上；
(c)将金属镍片在30℃、1M的NaOH溶液中超声30min以上；
(d)将金属镍片取出，分别用丙酮和无水乙醇各自超声清洗20min；
(e)取出金属镍片，用无水乙醇冲洗三遍，然后于室温条件下进行风干；
(2)利用85％的磷酸和去离子水配置浓度为10～22wt％磷酸溶液，并将金属镍片置于磷酸溶液中，然后于30℃以上的水浴中进行化学刻蚀，刻蚀时间为14～56h，并且在刻蚀过程中，每隔1h翻转一次金属镍片表面；
(3)取出金属镍片，并用去离子水冲洗；
(4)冲洗后置于无水乙醇中，并于30℃条件下超声清洗10min，再用无水乙醇冲洗三遍；
(5)冲洗后置于去离子水中，并于30℃条件下超声清洗10min，再用去离子水冲洗三遍；
(6)将冲洗后的金属镍片置于40℃的加热板上缓慢烘干，且烘干过程中每5min翻转一次金属镍片表面，烘干时间为30min。
下面以几个试验案例对本发明技术效果进行阐述。试验案例选用纯度为99.99％的高纯镍片，尺寸为10mm×10mm×1mm。
案例1
金属镍表面清洗：首先将金属镍片置于含有15ml无水乙醇的烧杯中，超声清洗10min，取出用无水乙醇反复冲洗3遍；再将金属镍片置于20ml 1M的NaOH溶液中，在30℃的水浴中浸泡30min，接着在30℃超声30min；然后将金属镍片取出置于10ml的丙酮溶液中，在30℃超声清洗20min；随后又将金属镍片置于15ml的无水乙醇溶液中，在30℃超声清洗20min；最后将金属镍片取出，用无水乙醇反复冲洗3遍。
磷酸溶液配置：通过85％的磷酸和去离子水配制磷酸溶液，分别量取3ml85％的磷酸和38ml去离子水，配制成10.0wt％的磷酸溶液。
金属镍磷酸刻蚀：将表面清洗后的金属镍片放入含有10.0wt％磷酸溶液的烧杯中，将烧杯置于30℃的水浴中，在刻蚀过程中，每小时翻转一下镍片表面。
金属镍清洗烘干：将30℃刻蚀42h后的金属镍片从10.0wt％的磷酸溶液中取出，先用去离子水冲洗3遍；再置于含有15ml无水乙醇的烧杯中，30℃超声清洗10min，用无水乙醇冲洗3遍；接着置于含有15ml去离子水的烧杯中，30℃超声清洗10min，用水离子水冲洗3遍；最后置于40℃的加热板上缓慢烘干，烘干过程中每5min翻一次面，30min后烘干结束。
将烘干后的金属镍片，置于JY-82视频接触角测量仪(承德鼎盛试验机检测设备有限公司)的样品台上，测量金属镍表面的静态接触角。接触角测试使用的液体是去离子水，样品的每一面分别测试3～5个点，测试中每个液滴体积在5～10μL，部分测试结果如图2中所示。每一个测试点，通过三次测算取平均值，其接触角数值分别为126.1°、127.62°和128.92°。由此可见，经过磷酸化学刻蚀后，金属镍表面具有明显的疏水性。
案例2
分别量取3ml 85％的磷酸和38ml去离子水，配制成10.0wt％的磷酸溶液。将在30℃10.0wt％的磷酸溶液中刻蚀56h后的金属镍片取出，清洗烘干后置于JY-82视频接触角测量仪的样品台上，测量金属镍表面的静态接触角。接触角测试使用的液体是去离子水，样品的每一面分别测试3个点，测试中每个液滴体积在5～10μL，部分测试结果如图3中所示。每一个测试点，通过三次测算取平均值，其接触角数值分别为127.68°、137.74°和133.82°。由此可见，经过磷酸化学刻蚀后，金属镍表面具有明显的疏水性。
案例3
分别量取3ml 85％的磷酸和23.5ml去离子水，配制成15.0wt％的磷酸溶液。将在30℃15.0wt％的磷酸溶液中刻蚀35h后的金属镍片取出，清洗烘干后置于JY-82视频接触角测量仪的样品台上，测量金属镍表面的静态接触角。接触角测试使用的液体是去离子水，样品的每一面分别测试3个点，测试中每个液滴体积在5～10μL，部分测试结果如图4中所示。每一个测试点，通过三次测算取平均值，其接触角数值分别为126.04°、129.18°和130.12°。由此可见，经过磷酸化学刻蚀后，金属镍表面具有明显的疏水性。
案例4
分别量取3ml 85％的磷酸和23.5ml去离子水，配制成15.0wt％的磷酸溶液。将在30℃15.0wt％的磷酸溶液中刻蚀56h后的金属镍片取出，清洗烘干后置于JY-82视频接触角测量仪的样品台上，测量金属镍表面的静态接触角。接触角测试使用的液体是去离子水，样品的每一面分别测试3个点，测试中每个液滴体积在5～10μL，部分测试结果如图5中所示。每一个测试点，通过三次测算取平均值，其接触角数值分别为136.4°、139.78°和140.24°。由此可见，经过磷酸化学刻蚀后，金属镍表面具有显著的疏水性。
案例5
分别量取4.5ml 85％的磷酸和24ml去离子水，配制成20.4wt％的磷酸溶液。将在30℃20.4wt％的磷酸溶液中刻蚀14h后的金属镍片取出，清洗烘干后置于JY-82视频接触角测量仪的样品台上，测量金属镍表面的静态接触角。接触角测试使用的液体是去离子水，样品的每一面分别测试3个点，测试中每个液滴体积在5～10μL，部分测试结果如图6中所示。每一个测试点，通过三次测算取平均值，其接触角数值分别为120.1°、122.73°和130.99°。由此可见，经过磷酸化学刻蚀后，金属镍表面具有明显的疏水性。
案例6
分别量取4.5ml 85％的磷酸和24ml去离子水，配制成20.4wt％的磷酸溶液。将在30℃20.4wt％的磷酸溶液中刻蚀49h后的金属镍片取出，清洗烘干后置于JY-82视频接触角测量仪的样品台上，测量金属镍表面的静态接触角。接触角测试使用的液体是去离子水，样品的每一面分别测试3个点，测试中每个液滴体积在5～10μL，部分测试结果如图7中所示。每一个测试点，通过三次测算取平均值，其接触角数值分别为120.71°、125.09°和125.86°。由此可见，经过磷酸化学刻蚀后，金属镍表面具有明显的疏水性。
案例7
分别量取4.5ml 85％的磷酸和24ml去离子水，配制成20.4wt％的磷酸溶液。将在30℃20.4wt％的磷酸溶液中刻蚀56h后的金属镍片取出，清洗烘干后置于JY-82视频接触角测量仪的样品台上，测量金属镍表面的静态接触角。接触角测试使用的液体是去离子水，样品的每一面分别测试3个点，测试中每个液滴体积在5～10μL，部分测试结果如图8中所示。每一个测试点，通过三次测算取平均值，其接触角数值分别为121.37°、133.53°和124.85°。由此可见，经过磷酸化学刻蚀后，金属镍表面具有明显的疏水性。
本发明通过磷酸溶液来对金属镍表面进行刻蚀处理，在金属镍表面形成粗糙的微观结构，从而仅通过提高表面粗糙度的方式来改变金属镍的润湿性能，使金属镍表面的疏水性得到提高，如此一来，即可有效延长金属镍在潮湿或含有水蒸气条件下的使用寿命，拓宽镍的应用范围。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种磷酸刻蚀增强金属镍表面疏水性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用超声清洗方式对金属镍表面进行清洗，将金属镍片表面的油污及吸附的杂质去除，具体清洗过程为：
(a)利用无水乙醇对金属镍片表面超声清洗10min以上；
(b)取出金属镍片，并用无水乙醇冲洗三遍，然后将金属镍片浸泡在1M的NaOH溶液中，浸泡时间为30min以上；
(c)取出金属镍片，然后再进行超声清洗30min以上；
(d)将超声清洗后的金属镍片取出，然后分别用丙酮和无水乙醇各自清洗20min；
(e)用无水乙醇对金属镍片再冲洗三遍，然后于温室条件下进行风干；
(2)利用85％的磷酸和去离子水配置浓度为10～22wt％磷酸溶液，并将金属镍片置于磷酸溶液中，然后于30℃以上的水浴中进行化学刻蚀，刻蚀时间为14～56h，并且在刻蚀过程中，每隔1h翻转一次金属镍片表面；
(3)将刻蚀后的金属镍片取出并冲洗烘干，获得疏水性能增强后的金属镍片；
所述步骤(3)包括以下步骤：
(3a)取出金属镍片，并用去离子水冲洗三遍；
(3b)冲洗后置于无水乙醇中，并于30℃条件下超声清洗10min，再用无水乙醇冲洗三遍；
(3c)冲洗后置于去离子水中，并于30℃条件下超声清洗10min，再用去离子水冲洗三遍；
(3d)将冲洗后的金属镍片置于40℃的加热板上缓慢烘干，且烘干过程中每5min翻转一次金属镍片表面，烘干时间为30min。
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