CN107299308A - 一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其步骤如下：A、对基体表面进行预处理；B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为碳化钨体系粉末；C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。该方法具有可在多种复杂结构的工件基底上大面积的制备超疏水表面，制作工艺简单，制备效率高，适合现场施工，成本低等优势。且本方法制备的疏水表面不仅具有优良的疏水性能和自清洁效应，而且兼具金属涂层的韧性和陶瓷涂层耐磨耐腐蚀性能，并具备一定的防覆冰功能。

Description

一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法
技术领域
本发明涉及超疏水涂层的制备技术与方法，具体涉及一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法。
背景技术
超疏水材料是一种仿生材料，其研究源于人们对荷叶疏水特性的研究，在研究荷叶表面时，发现水滴在荷叶的表面会迅速滚落而不留痕迹，并且能带走表面的污物，因此荷叶表面总是保持干净的状态。于是，这种自我清洁功能就被称为“荷叶效应”。近年来，由于超疏水材料表面特殊的浸润性，已被广泛应用如抗腐蚀、自清洁、减阻、防雾防冰等众多领域。
一般认为超疏水状态即材料表面与液滴接触角大于150°，滚动角小于5°。而要达到这样特殊的表面润湿性能则需要满足两个基本条件，其中包括表面微纳米复合的粗糙结构和较低的表面自由能。目前国内外应用最多的制备超疏水表面的方法有模板法、刻蚀法、电化学沉积法、自组装法、静电纺丝法等。上述方法均有报道可获得超疏水表面，但仍存在例如制备过程复杂，对基体局限性较差，工业应用范围较窄，且表面功能易失效等缺陷。因此，研究一种工业应用适用性广，涂层性能稳定，且制备工艺简单的超疏水表面制备方法非常重要。
申请号201410519407.5的专利申请公开了一种将疏水气相SiO2和硅橡胶预聚物混合后的悬浮液喷涂在基体材料表面，再进行固化处理从而获得透明超疏水涂层的方法。
申请号为201410666074.9的专利申请公开了一种利用超音速电弧喷涂方式将金属丝材融化、雾化、再加速沉积在基体表面形成具有粗糙结构的涂层，再经低表面能修饰后高温固化得到超疏水涂层的方法。
现有多数制备方法均可获得接触角高于150°的超疏水表面，但仍存在着各自的局限性，如上述两种方式中悬浮液喷涂所得超疏水薄膜以及电弧喷涂所得金属涂层均存在耐摩擦性能差的缺陷，且金属涂层表面结构易受腐蚀影响，使得超疏水表面结构和性能稳定性降低，因此，发展一种能够大规模制备且涂层性能稳定的超疏水涂层制备方法非常重要。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，该方法具有可在多种复杂结构的工件基底上大面积的制备超疏水表面，制作工艺简单，制备效率高，适合现场施工，成本低等优势。且本方法制备的疏水表面不仅具有优良的疏水性能和自清洁效应，而且兼具金属涂层的韧性和陶瓷涂层耐磨耐腐蚀性能，并具备一定的防覆冰功能。
本发明实现其发明目的所采取技术方案是：一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为碳化钨体系粉末；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物，即可获得超疏水涂层。
本发明的基本原理是：首先对基体表面进行常规预处理；然后采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系的涂层：超音速火焰喷涂在的燃烧室中利用高压氧气与丙烷燃烧产生高速焰流，再经过特殊设计的喷嘴形成超音速高温焰流，此焰流加热加速碳化钨体系粉末至基体表面，通过控制超音速火焰喷涂的压缩空气压力、氧气流量、燃气流量、送粉量以及喷涂距离等参数在基体表面形成与基体表面具有较高结合强度的粗糙结构(微纳米复合结构)表面；最后在具有粗糙结构的涂层表面修饰一层低表面能物质即可得到超疏水表面。
本发明利用超音速电弧喷涂技术可以在多种基体表面大面积制备粗糙结构表面涂层，然后在粗糙结构涂层表面修饰低表面能物质并干燥后形成超疏水表面。具体分析，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、超音速火焰喷涂法制备的涂层与基体表面结合良好，碳化钨体系粉末在喷涂过程中堆叠沉积可形成稳定的微纳米复合结构，极大程度上保证了粗糙结构的稳定性和耐久性。
二、超音速火焰喷涂涂层与表面修饰低表面能物质相结合制备的超疏水涂层，具有优良的疏水性能和自清洁效应，并具备一定的防覆冰功能。
三、超音速火焰喷涂涂层采用碳化钨体系的金属陶瓷纳米粉末，所制备涂层兼具金属涂层的韧性和陶瓷涂层耐磨耐腐蚀性能，在耐腐蚀减阻等工程应用上性能表现优异。
四、超音速火焰喷涂涂层与表面修饰低表面能物质相结合制备超疏水表面，工艺简单，涂层制备效率高，适合现场施工，成本低。
五、超音速火焰喷涂涂层与表面修饰低表面能物质相结合，可在多种复杂结构的工件基底上大面积的制备超疏水表面，实现大面积工业应用。
进一步，本发明步骤A所述的预处理包括对基体表面清理和粗化处理。
对基体表面的清理可去除基体表面污垢和氧化层等物质，而粗化处理可以在基体表面构造粗糙度，能够提高步骤B中超音速电弧喷涂涂层与基体的结合力。
进一步，本发明步骤A所述粗化处理是指对基体表面进行喷砂处理。
喷砂的粗化处理方式操作简单、成本低、效率高，可实现大规模工业应用。优选的喷砂工艺参数为空气压力0.5-0.8MPa，喷砂时间20-60秒，喷砂用砂丸目数20-120目。
进一步，本发明步骤B所述的碳化钨体系粉末为纳米碳化钨体系粉末。
试验验证，相比于其他尺寸的碳化钨体系粉末，纳米碳化钨系粉末作为喷涂粉末更有利于在喷涂过程中堆叠沉积形成微纳米复合结构的涂层，保证喷涂后基体表面粗糙结构的稳定性和耐久性。
更进一步，本发明所述纳米碳化钨体系粉末包括纳米WC-12Co粉末和纳米WC-10Co-4Cr粉末。
试验验证，纳米WC-12Co粉末和纳米WC-10Co-4Cr粉末作为喷涂粉末更有利于在喷涂过程中堆叠沉积形成微纳米复合结构的涂层，保证喷涂后基体表面粗糙结构的稳定性和耐久性。
通过控制超音速火焰喷涂的压缩空气压力、氧气流量、燃气流量、送粉量以及喷涂距离等参数在基体表面获得具有一定微纳米复合结构。特别是燃气流量、氧气流量、喷涂距离和送粉量是影响粒子温度和速度的主要工艺参数，改变这些参数可影响涂层在基体表面的结合和铺展状况，为制备超疏水表面提供合适尺度的微纳米结构基础。
本发明步骤B所述利用超音速火焰喷涂方法制备碳化钨体系涂层的优选工艺参数为：氧气流量750～900L/min、煤油流量20～25L/h、送粉量74～85g/min、喷枪移动速度1.2～1.8m/s、喷涂距离300～350mm。
试验验证，上述优选工艺参数有利于在喷涂过程中堆叠沉积形成微纳米复合结构的涂层，保证喷涂后基体表面粗糙结构的稳定性和耐久性。
以纳米WC-10Co-4Cr为喷涂材料时，超音速火焰喷涂的优选喷涂参数为：氧气流量900L/min、煤油流量20-23L/h、送粉量78-85g/min、喷枪移动速度1.2～1.8m/s、喷涂距离320～350mm。
以纳米WC-12Co为喷涂材料时，控制超音速火焰喷涂的优选喷涂参数为：氧气流量900L/min、煤油流量23-25L/h、送粉量74-78g/min、喷枪移动速度1.2～1.8m/s、喷涂距离320～350mm。
进一步，本发明步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：通过溶液喷涂法在涂层表面修饰疏水纳米SiO2粉末。
优选的具体试验方案是：采用10-20mg/mL的SiO2乙醇溶液作低表面能修饰物质，其中喷涂参数为空气压缩压力0.3-0.4MPa、喷涂距离150-250mm、喷涂角度60°-90°、喷涂时间60-120s，喷涂低表面能物质后的干燥温度为80-120℃，干燥时间为2-4h即可得到超疏水表面。
疏水纳米SiO2粉末成本较低，喷涂修饰过程非常简单，效率高，可应用于多种工业零部件，结合超音速火焰喷涂方法制备的表面疏水性能好，可实现大规模工业应用。
进一步，本发明步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：通过电化学吸附法在涂层表面修饰硬脂酸。
优选的具体试验方案是：采用0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液作电解液，试样作阳极，石墨作阴极，工作电压15-20V，反应温度30-40℃，反应时间20-40min，修饰结束的试样在空气中干燥后清洗干净即可得到超疏水表面。
采用硬脂酸修饰涂层表面可通过控制电压，浓度及反应时间等参数改变修饰程度，工作可控性较好，能够在涂层表面沉积一层均匀的超疏水薄膜。
进一步，本发明所述基体为金属材料。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例一步骤B制备的超音速火焰喷涂涂层表面SEM形貌及液滴接触角。
图2为本发明实施例一步骤C制备的超疏水表面SEM形貌及液滴接触角。
图3为本发明实施例一步骤C制备的超疏水表面的光学数码照片。
图4为本发明实施例二步骤C制备的超疏水表面的光学数码照片及液滴接触角。
具体实施方式
实施例一
一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，基体材料为SMA490BW耐候钢，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理：包括对基体表面清理和粗化处理，所述粗化处理是指喷砂处理，喷砂工艺参数为空气压力0.7MPa，喷砂用砂丸为80目棕刚玉砂，喷砂时间40秒；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为纳米WC-12Co粉末；喷涂工艺参数为：送粉量74g/min、喷涂距离350mm、氧气流量900L/min、煤油流量23L/h，喷枪移动速度1.5m/s，在基体表面沉积一层280-300μm的涂层，涂层形貌及液滴接触角如图1所示；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。制备的超疏水涂层接触角为154±0.6°，图2为制备的超疏水表面SEM形貌及液滴接触角，图3为制备的超疏水表面的光学数码照片。
本例中步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：通过溶液喷涂法在涂层表面修饰疏水纳米SiO2粉末。采用20mg/mL的SiO2乙醇溶液作低表面能修饰物质，其中喷涂参数为空气压缩压力0.4MPa、喷涂距离200mm、喷涂角度75°、喷涂时间120s，喷涂低表面能物质后的干燥温度为100℃，干燥时间为2h，随炉冷却即可得到超疏水表面。
实施例二
一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，基体材料为Q235钢，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理：包括对基体表面清理和粗化处理，所述粗化处理是指喷砂处理，喷砂工艺参数为空气压力0.7MPa，喷砂用砂丸为60目棕刚玉砂，喷砂时间35秒；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为纳米WC-10Co-4Cr粉末；喷涂工艺参数为：送粉量82g/min、喷涂距离350mm、氧气流量900L/min、煤油流量23L/h，喷枪移动速度1.5m/s，在基体表面沉积一层280-300μm的涂层；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。制备的超疏水涂层接触角为151±0.2°，图4为制备的超疏水表面的光学数码照片及液滴接触角。
本例中步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：采用0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液作电解液，试样作阳极，石墨作阴极，工作电压20V，反应温度35℃，反应时间35min，修饰结束的试样在空气中干燥后清洗干净即可得到超疏水表面。
实施例三
一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，基体为金属材料，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理：包括对基体表面清理和粗化处理，所述粗化处理是指喷砂处理，喷砂工艺参数为空气压力0.5MPa，喷砂用砂丸为120目棕刚玉砂，喷砂时间60秒；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为纳米WC-12Co粉末；喷涂工艺参数为：送粉量78g/min、喷涂距离320mm、氧气流量900L/min、煤油流量25L/h，喷枪移动速度1.2m/s；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。
本例中步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：采用0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液作电解液，试样作阳极，石墨作阴极，工作电压17V，反应温度30℃，反应时间40min，修饰结束的试样在空气中干燥后清洗干净即可得到超疏水表面。
实施例四
一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，基体为金属材料，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理：包括对基体表面清理和粗化处理，所述粗化处理是指喷砂处理，喷砂工艺参数为空气压力0.8MPa，喷砂用砂丸为20目棕刚玉砂，喷砂时间20秒；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为纳米WC-12Co粉末；喷涂工艺参数为：送粉量76g/min、喷涂距离330mm、氧气流量900L/min、煤油流量24L/h，喷枪移动速度1.8m/s；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。
本例中步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：通过溶液喷涂法在涂层表面修饰疏水纳米SiO2粉末。采用15mg/mL的SiO2乙醇溶液作低表面能修饰物质，其中喷涂参数为空气压缩压力0.3MPa、喷涂距离250mm、喷涂角度90°、喷涂时间60s，喷涂低表面能物质后的干燥温度为80℃，干燥时间为4h，随炉冷却即可得到超疏水表面。
实施例五
一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，基体为金属材料，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理：包括对基体表面清理和粗化处理，所述粗化处理是指喷砂处理，喷砂工艺参数为空气压力0.7MPa，喷砂用砂丸为30目棕刚玉砂，喷砂时间30秒；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为纳米WC-10Co-4Cr粉末；喷涂工艺参数为：送粉量78g/min、喷涂距离320mm、氧气流量900L/min、煤油流量20L/h，喷枪移动速度1.2m/s；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。
本例中步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：采用0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液作电解液，试样作阳极，石墨作阴极，工作电压15V，反应温度40℃，反应时间20min，修饰结束的试样在空气中干燥后清洗干净即可得到超疏水表面。
实施例六
一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，基体为金属材料，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理：包括对基体表面清理和粗化处理，所述粗化处理是指喷砂处理，喷砂工艺参数为空气压力0.7MPa，喷砂用砂丸为40目棕刚玉砂，喷砂时间40秒；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为纳米WC-10Co-4Cr粉末；喷涂工艺参数为：送粉量85g/min、喷涂距离330mm、氧气流量900L/min、煤油流量22L/h，喷枪移动速度1.8m/s；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。
本例中步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：通过溶液喷涂法在涂层表面修饰疏水纳米SiO2粉末。采用10mg/mL的SiO2乙醇溶液作低表面能修饰物质，其中喷涂参数为空气压缩压力0.3MPa、喷涂距离150mm、喷涂角度60°、喷涂时间100s，喷涂低表面能物质后的干燥温度为120℃，干燥时间为3h，随炉冷却即可得到超疏水表面。
实施例七
一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，基体为金属材料，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理：包括对基体表面清理和粗化处理，所述粗化处理是指喷砂处理，喷砂工艺参数为空气压力0.5MPa，喷砂用砂丸为120目棕刚玉砂，喷砂时间60秒；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为纳米碳化钨粉末；喷涂工艺参数为：送粉量78g/min、喷涂距离300mm、氧气流量750L/min、煤油流量25L/h，喷枪移动速度1.2m/s；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。
本例中步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：采用0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液作电解液，试样作阳极，石墨作阴极，工作电压17V，反应温度35℃，反应时间40min，修饰结束的试样在空气中干燥后清洗干净即可得到超疏水表面。

Claims (9)

1.一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其步骤如下：
A、对基体表面进行预处理；
B、采用超音速火焰喷涂方法在预处理后的基体表面上制备碳化钨体系涂层，所述喷涂粉末为碳化钨体系粉末；
C、在步骤B制备的碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质，即可获得超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：步骤A所述的预处理包括对基体表面清理和粗化处理。
3.根据权利要求2所述的一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：所述粗化处理是指对基体表面进行喷砂处理。
4.根据权利要求1所述的一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：步骤B所述的碳化钨体系粉末为纳米碳化钨体系粉末。
5.根据权利要求4所述的一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：所述纳米碳化钨体系粉末包括纳米WC-12Co粉末和纳米WC-10Co-4Cr粉末。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：步骤B所述利用超音速火焰喷涂方法制备碳化钨体系涂层的工艺参数为：氧气流量750～900L/min、煤油流量20～25L/h、送粉量74～85g/min、喷枪移动速度1.2～1.8m/s、喷涂距离300～350mm。
7.根据权利要求1所述的一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：通过溶液喷涂法在涂层表面修饰疏水纳米SiO2粉末。
8.根据权利要求1所述的一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：步骤C所述在碳化钨体系的涂层表面修饰一层低表面能物质的具体操作是：通过电化学吸附法在涂层表面修饰硬脂酸。
9.根据权利要求1所述地一种利用超音速火焰喷涂制备超疏水表面的方法，其特征在于：所述基体为金属材料。
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