CN106835228B - 一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料表面处理技术领域，公开了一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法。所述制备方法为：将铜或铜合金片经预处理后置于含硫脲和乙二胺四乙酸二钠的水溶液中进行电沉积反应，得到粗糙结构的超亲水表面，然后置于十四酸的乙醇溶液中浸泡，得到表面自组装生成超疏水膜的超疏水铜或铜合金，于250～400℃下退火5～20min，再浸入十四酸的乙醇溶液中浸泡，得到所述表面浸润性可控的超疏水铜及其合金。本发明制备的铜及其合金表面浸润性可控，可快速完成亲疏转化的过程，为工业化快速、大面积生产超疏水金属表面提供了一种高效环保的方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法。
背景技术
超疏水表面是指与水的静态接触角大于150°、滚动角小于10°的表面。人们对于超疏水表面的研究是受荷叶“出淤泥而不染”的现象启发而来的。其表面由于具有腐蚀防护、抗菌、自清洁、防雾防结霜和油水分离等功能作用，因而在现实生活中有着广泛的应用前景。例如，在户外天线、电线等金属表面上制备超疏水膜层可有效防止雨雪霜冻的覆集，以提高信号的畅通和防止电力瘫痪的发生；军舰船舶的螺旋桨、金属外壳以及零部件具备超疏水特性，则不但可有效减少金属腐蚀的发生，还可以减少阻力提高运行速度；金属网膜具备超疏水能力则可有效解决油水分离的难题。因此，超疏水材料得到更多研究学家的关注。
铜是人类最早发现和利用的金属材料之一，其不但拥有优良的导热、导电、延展和抗污性能，而且显示出良好的合金化能力，满足了现代工程领域对材料强度、韧性、抗软化、切削加工、防腐耐磨等特殊性能的需求，被广泛地应用于国民经济的各个领域。在很多应用领域中也要求其具备超疏水功能。目前超疏水铜材料，主要通过水热法、化学刻蚀、化学沉积以及阳极氧化等方法制造微纳粗糙结构，再用低表面能物质修饰得到超疏水膜层。例如中国发明专利CN104289402B就公布了一种具有耐蚀性能的超疏水表面的制备方法。但是其需要高温煅烧和强酸的参与，存在安全隐患，处理工序复杂，成本较高以及环保性能差，严重限制了这种方法的推广。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的表面浸润性可控的超疏水铜及其合金。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)将铜或铜合金片清洗、干燥备用；
(2)将硫脲和乙二胺四乙酸二钠溶于去离子水中，得到电镀液；
(3)以步骤(1)的两个铜或铜合金片分别做交流电的两极，在步骤(2)的电镀液中进行电沉积1～20min得到粗糙结构的超亲水表面；
(4)将步骤(3)处理后的铜或铜合金片置于十四酸的乙醇溶液中，浸泡，取出后清洗、干燥，得到表面自组装生成超疏水膜的超疏水铜或铜合金；
(5)步骤(4)所得超疏水铜或铜合金于250～400℃下退火5～20min，再浸入十四酸的乙醇溶液中浸泡，得到所述表面浸润性可控的超疏水铜及其合金。
优选地，步骤(1)中所述的清洗是指依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗。
优选地，步骤(2)中所述电镀液中硫脲的浓度为0.01～0.3mol/L；乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.01～0.5mol/L。
优选地，步骤(3)所述的电沉积的电压为5～40V，电沉积过程在水浴环境中进行，水浴温度为30～60℃。
优选地，步骤(4)所述的清洗、干燥是指依次用无水乙醇、去离子水冲洗，随后置于烘箱中干燥。
优选地，步骤(4)和步骤(5)中所述十四酸的乙醇溶液的浓度为0.02～0.2mol/L；所述浸泡的时间为10～120s。
优选地，步骤(5)中所述退火和浸入十四酸的乙醇溶液中浸泡的过程循环20次以上。
一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金，通过上述方法制备得到。本发明所得超疏水铜及其合金，其表面蒸馏水接触角均大于150°，滚动角小于5°。
本发明提供了一种铜及其合金表面浸润性可控的制备方法，通过交流电沉积和十四酸的自组装修饰，在铜及其合金表面完成了微纳粗糙结构的构筑和低表面自由能物质的修饰。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明可以在交流电两极同时快速地进行刻蚀，极大的缩短了超疏水表面的制备周期，且电沉积加工工艺均适用于大面积生产，为工业化快速、大面积生产超疏水金属表面提供了一种高效环保的方法；
(2)本发明涉及的溶液配方均对环境和人类身体无害，属于环保型配方；
(3)本发明制备的铜及其合金表面浸润性可控，可快速完成亲疏转化的过程。
附图说明
图1为实施例1中步骤(3)在两极得到的表面粗糙的紫铜片的蒸馏水接触角测试结果图；
图2为实施例2中步骤(3)在两极电沉积后得到的具有粗糙表面结构的黄铜片的XRD图；
图3为实施例2最终所得超疏水黄铜片的蒸馏水接触角测试结果图；
图4为实施例3中制得的磷铜片浸润性在亲疏转化时蒸馏水接触角循环变化的折线图；
图5为实施例3中制得的磷铜片浸润性在退火时蒸馏水接触角随时间变化的折线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
尺寸为50×30的紫铜片，经表面预处理后电沉积及与十四酸自组装后获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
(1)铜片预处理：将紫铜片在室温下分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5min，吹风机吹干，除去表面的油污和杂质；
(2)电镀液配置：将硫脲和乙二胺四乙酸二钠溶于去离子水中，其中硫脲的浓度为0.05mol/L，乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.01mol/L；
(3)电沉积：以两片预处理好的铜片分别作为交流电的两极，取100ml步骤(2)配制的电镀液在交流电压5V的条件下，电沉积5min，水浴温度为30℃，即在两极分别获得表面粗糙的紫铜片；
(4)在紫铜粗糙表面自组装超疏水膜：将步骤(3)所得表面粗糙的紫铜片放入预先配置好的浓度为0.1mol/L的十四酸的乙醇溶液中，在室温下浸泡10s后取出，先用乙醇冲洗，再经去离子水冲洗，放入70℃的烘箱中，干燥5min后取出，即获得具有超疏水特性的紫铜片；
(5)亲疏转化：将所得超疏水铜片于250℃下退火20min，得到超亲水铜片，再将其浸入十四酸的酒精溶液中60s，恢复超疏水的性质，如此循环20次之久，得到表面浸润性可控的超疏水紫铜片。
本实施例步骤(3)在两极得到的表面粗糙的紫铜片的蒸馏水接触角测试结果图如图1所示。由图1结果得出两极接触角约为0°。
实施例2
尺寸为50×30的黄铜片，经表面预处理后电沉积及与十四酸自组装后获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
(1)铜片预处理：将黄铜片在室温下分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗10min，吹风机吹干，除去表面的油污和杂质；
(2)电镀液配置：将硫脲和乙二胺四乙酸二钠溶于去离子水中，其中硫脲的浓度为0.3mol/L，乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.2mol/L；
(3)电沉积：以两片预处理好的铜片分别作为交流电的两极，取100ml步骤(2)配制的电镀液在交流电压20V的条件下，电沉积10min，水浴温度为60℃，即在两极分别获得表面粗糙的黄铜片；
(4)在黄铜粗糙表面自组装超疏水膜：将步骤(3)所得表面粗糙的黄铜片放入预先配置好的浓度为0.2mol/L的十四酸的乙醇溶液中，在室温下浸泡30s后取出，先用乙醇冲洗，再经去离子水冲洗，放入60℃的烘箱中，干燥120s后取出，即获得具有超疏水特性的黄铜片；
(5)亲疏转化：将所得超疏水铜片于360℃下退火5min，得到超亲水铜片，再将其浸入十四酸的酒精溶液中120s，恢复超疏水的性质，如此循环25次之久，得到表面浸润性可控的超疏水黄铜片。
本实施例步骤(3)在两极电沉积后得到的具有粗糙表面结构的黄铜片的XRD图如图2所示，由图2结果可以看出，表面生成了硫化亚铜。最终所得超疏水黄铜片的蒸馏水接触角测试结果图如图3所示，图3结果表明其接触角达到157.1°。
实施例3
尺寸为50×30的磷铜片，经表面预处理后电沉积及与十四酸自组装后获得结构特征突出的超疏水表面，具体包括以下步骤及工艺条件：
(1)铜片预处理：将磷铜片在室温下分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗2min，吹风机吹干，除去表面的油污和杂质；
(2)电镀液配置：将硫脲和乙二胺四乙酸二钠溶于去离子水中，其中硫脲的浓度为0.2mol/L，乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.5mol/L；
(3)电沉积：以两片预处理好的铜片分别作为交流电的两极，取100ml步骤(2)配制的电镀液在交流电压40V的条件下，电沉积2min，水浴温度为50℃，即在两极分别获得表面粗糙的磷铜片；
(4)在磷铜粗糙表面自组装超疏水膜：将步骤(3)所得表面粗糙的磷铜片放入预先配置好的浓度为0.02mol/L的十四酸的乙醇溶液中，在室温下浸泡60s后取出，先用乙醇冲洗，再经去离子水冲洗，放入80℃的烘箱中，干燥3min后取出，即获得具有超疏水特性的磷铜片；
(5)亲疏转化：将所得超疏水铜片于300℃下退火10min，得到超亲水铜片，再将其浸入十四酸的酒精溶液中60s，恢复超疏水的性质，如此循环20次之久，得到表面浸润性可控的超疏水磷铜片。
本实施例得到的磷铜片浸润性在亲疏转化时蒸馏水接触角循环变化的折线图如图4所示；其浸润性在高温退火时蒸馏水接触角随时间变化的折线图如图5所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)将铜或铜合金片清洗、干燥备用；
(2)将硫脲和乙二胺四乙酸二钠溶于去离子水中，得到电镀液；
(3)以步骤(1)的两个铜或铜合金片分别做交流电的两极，在步骤(2)的电镀液中进行电沉积1～20min得到粗糙结构的超亲水表面；
(4)将步骤(3)处理后的铜或铜合金片置于十四酸的乙醇溶液中，浸泡，取出后清洗、干燥，得到表面自组装生成超疏水膜的超疏水铜或铜合金；
(5)步骤(4)所得超疏水铜或铜合金于250～400℃下退火5～20min，再浸入十四酸的乙醇溶液中浸泡，得到所述表面浸润性可控的超疏水铜及其合金。
2.根据权利要求1所述的一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的清洗是指依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗。
3.根据权利要求1所述的一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述电镀液中硫脲的浓度为0.01～0.3mol/L；乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.01～0.5mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的电沉积的电压为5～40V，电沉积过程在水浴环境中进行，水浴温度为30～60℃。
5.根据权利要求1所述的一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的清洗、干燥是指依次用无水乙醇、去离子水冲洗，随后置于烘箱中干燥。
6.根据权利要求1所述的一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)和步骤(5)中所述十四酸的乙醇溶液的浓度为0.02～0.2mol/L；所述浸泡的时间为10～120s。
7.根据权利要求1所述的一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述退火和浸入十四酸的乙醇溶液中浸泡的过程循环20次以上。
8.一种表面浸润性可控的超疏水铜及其合金，其特征在于：通过权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。
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