CN107513749A - 金属表面改性的方法与金属表面改性的装置 - Google Patents

金属表面改性的方法与金属表面改性的装置 Download PDF

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刘宇讯
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Abstract

本发明提供了一种金属表面改性的装置，包括：加工槽；加工槽内设置有负极板；正极板；正极板位于加工槽上方与负极板相对的位置；含纳米颗粒的电解液进液装置；所述含纳米颗粒的电解液进液装置与所述加工槽相连通；电源；所述电源的阳极与正极板相连；所述电源的阴极与负极板相连。与现有技术相比，本发明通过将待加工金属工件放入加工槽内，且与负极相接触，导致待加工金属工件带负电荷，含纳米颗粒的电解液在待加工金属工件表面发生氧化反应，由于阴极大量析出氢气，导致待加工金属工件表面附近氢氧根浓度增加，使纳米颗粒沉积在工件表面，从而在工件表面形成凹凸亲疏水表面；并且该装置对待加工金属工件的形状没有限制，极大地提高了工作效率。

Description

金属表面改性的方法与金属表面改性的装置
技术领域
本发明属于表面改性技术领域，尤其涉及一种金属表面改性的方法与金属表面改性的装置。
背景技术
自然界中以莲叶为代表的多种植物叶子的表面、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等等都具有超疏水性，从而达到自清洁的功能，由于其具有自清洁性、防污特性、疏水、疏油等特性，从而在工农业生产和人们的日常生活中都有极其广阔的应用前景。目前在仿生超疏水粗糙表面的构建方面，已经涌现了多种制备方法，如平板印刷术、纳米阵列法，气相沉积法、相分离法、模板法等。
众所周知，固体表面的润湿性由其化学组成和微观几何结构共同决定。固体表面自由能越大，就越容易被一些液体所润湿，因此，研制高表面自由能或低表面自由能的固体表面是制备超疏水的前提要求。人们一般会利用金属或金属氧化等高能表面来研制超亲水表面，同时，也会采用硅烷链来降低表面能。
纳米尺寸的金属与功能分子的自组装在未来纳米电子器件中具有广阔的应用前景，对其基本理论和实际应用的研究正成为一个新兴的研究领域。目前纳米颗粒一般都要经过表面改性，使其广泛应用于各个领域如磁流体、彩色成像、磁记录材料以及生物医学。由于纳米颗粒的表面疏水性及较大的体表比，它在生物体内容易团聚、吸附血浆蛋白，易被网状内皮系统(RES)清除，所以需要对纳米颗粒进行表面改性，增大亲水性，延长循环半衰期。可用于表面改性的物质很多，一般为有机物，也有无机物和蛋白质或抗体等。纳米颗粒目前是生物医用纳米材料领域异常活跃的方向之一。不同方法制备的纳米颗粒经不同聚合物或分子表面改性后具有多方面的生物医学应用。
目前，可利用镍盐热分解法进行表面改性，先将Ni2+吸附在基体表面，再通过热分解镍盐获取镍催化中心，如先用硫酸镍、次磷酸钠配置的活化液在超声辅助的条件下对空心玻璃微珠活化2min，再在175℃下热氧化还原50min，成功实现空心玻璃微珠的无钯活化化学镀镍磷合金；随后又采用该活化液浸泡陶瓷微珠30min，同样在175℃下热氧化还原50min，实现在陶瓷微珠表面的无钯活化化学镀镍磷合金。但此方法不适用于熔点较低基体材料，只适用于陶瓷、玻璃、碳酸硅等耐热物质。
还利用热烧结法，但该方法需要高温处理，成本较高，并且浸渍过程中改性物质附着可能不均，容易导致处理碳材料表面亲疏水性质不均匀。
还可采用飞秒激光设备在金属表面制作微纳米结构从而形成超疏水表面，但成本太高。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种金属表面改性的方法与金属表面改性的装置，该金属表面改性的装置无需在高温下即可实现表面改性。
本发明提供了一表面改性的装置，包括：
加工槽；所述加工槽内设置有负极板；
正极板；所述正极板位于加工槽上方与负极板相对的位置；
含纳米颗粒的电解液进液装置；所述含纳米颗粒的电解液进液装置与所述加工槽相连通；
电源；所述电源的阳极与正极板相连；所述电源的阴极与负极板相连。
优选的，所述加工槽内还设置有待加工金属工件固定装置。
优选的，还包括超声搅拌装置；所述超声搅拌装置包括纳米颗粒进料口、电解液进料口与出口；所述超声搅拌装置的出口与所述含纳米颗粒的电解液进液装置相连通。
优选的，所述含纳米颗粒的电解液进液装置还设置有加热系统。
优选的，还包括升降装置；所述加工槽设置于所述升降装置上。
优选的，所述升降装置上还设置有减震装置。
本发明还提供了一种表面改性的方法，包括：
将待加工金属工件浸入含纳米颗粒的电解液中，使待加工金属工件带负电荷，进行电沉积，得到表面改性的金属工件。
优选的，所述含纳米颗粒的电解液中纳米颗粒为碳化硅、纳米银与纳米金中的一种或多种；所述含纳米颗粒的电解液中电解质的浓度为0.5～10mmol/L；所述含纳米颗粒的电解液中纳米颗粒的浓度为0.1～0.5g/L。
优选的，所述含纳米颗粒的电解液的温度为40℃～50℃。
优选的，所述电沉积的电流强度为8mA/cm2～9mA/cm2。
本发明提供了一种金属表面改性的装置，包括：加工槽；所述加工槽内设置有负极板；正极板；所述正极板位于加工槽上方与负极板相对的位置；含纳米颗粒的电解液进液装置；所述含纳米颗粒的电解液进液装置与所述加工槽相连通；电源；所述电源的阳极极与正极板相连；所述电源的阴极与负极板相连。与现有技术相比，本发明通过将待加工金属工件放入加工槽内，且与负极相接触，导致待加工金属工件带负电荷，然后，含纳米颗粒的电解液在待加工金属工件表面发生氧化反应，由于阴极大量析出氢气，导致待加工金属工件表面附近氢氧根浓度增加，使纳米颗粒沉积在工件表面，从而在工件表面形成凹凸亲疏水表面；并且该装置对待加工金属工件的形状没有限制，极大地提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的金属表面改性的装置；
图2为本发明实施例1中得到的表面改性的金属工件的照片；
图3为本发明实施例1中得到的表面改性的金属工件的局部放大照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种金属表面改性的装置，包括：
加工槽；所述加工槽内设置有负极板；
正极板；所述正极板位于加工槽上方与负极板相对的位置；
含纳米颗粒的电解液进液装置；所述含纳米颗粒的电解液进液装置与所述加工槽相连通；
电源；所述电源的阳极与正极板相连；所述电源的阴极与负极板相连。
按照本发明，所述表面改性的装置优选还包括超声搅拌装置；所述超声搅拌装置包括纳米颗粒进料口、电解液进料口与出口；所述超声搅拌装置的出口与所述含纳米颗粒的电解液进液装置相连通；超声搅拌装置使纳米颗粒充分均匀的分散于电解液中形成悬浊液。
为使加工槽中含纳米颗粒的电解液更好地与待加工金属工件进行反应，所述含纳米颗粒的电解液进液装置优选还设置有加热系统，对含纳米颗粒的电解液进行加热。
含纳米颗粒的电解液通过进液装置进入加工槽中，所述加工槽中设置有负极片，优选还设置有待加工金属工件固定装置，用以固定待加工金属工件；所述待加工金属工件固定装置为本领域技术人员熟知的固定装置即可，并无特殊的限制，本发明中优选为夹具；所述待加工金属工件固定装置与负极板的相对位置并无特殊的限制，本发明中优选待加工金属工件固定装置使待加工金属工件与负极板相接触。本发明对所述待加工金属工件的形状没有限制，电沉积效应使任意平面或者曲面、凸台、凹槽等不规则金属表面产生凹凸亲疏水表面。
按照本发明，优选还包括废液存储装置；所述废液存储装置与加工槽相连通，优选通过排液管与加工槽相连通；加工槽中反应后的废液可流至废液存储装置，用于回收再利用。
按照本发明所述加工槽外优选还设置有在线视频检测系统，可以实时对工件表面沉积情况和熔融纳米颗粒分布情况进行检测。
所述加工槽的上方相对于负极片的位置设置有正极片，用以使加工槽中产生电沉积效应。因此，本发明优选还包括升降装置，所述加工槽设置于所述升降装置上，用于调整正极板与负极板之间的距离；为了减少升降对反应的影响，优选所述升降装置上还设置有减震装置。
本发明提供的金属表面改性的装置还包括电源，用于提供表面改性反应所需要的电流，优选为恒流电源；所述电源的阳极与正极板相连，所述电源的阴极与负极板相连。
为了使整个装置可以实现集成化控制，优选包括集成控制柜；所述升降装置、含纳米颗粒的电解液进液装置、电源及在线视频检测系统分别与集成控制柜相连，使其集成了本发明所有系统的控制程序，可以保证本发明所有工艺的运行。
本发明通过将待加工金属工件放入加工槽内，且与负极相接触，导致待加工金属工件带负电荷，然后，含纳米颗粒的电解液在待加工金属工件表面发生氧化反应，由于阴极大量析出氢气，导致待加工金属工件表面附近氢氧根浓度增加，使纳米颗粒沉积在工件表面，从而在工件表面形成凹凸亲疏水表面；并且该装置对待加工金属工件的形状没有限制，极大地提高了工作效率。
本发明还提供了一种应用上述装置进行金属表面改性的方法，包括：将待加工金属工件浸入含纳米颗粒的电解液中，使待加工金属工件带负电荷，进行电沉积，得到表面改性的金属工件。
其中，所述含纳米颗粒的电解液中的纳米颗粒为本领域技术人员熟知的纳米颗粒即可，并无特殊的限制，本发明中优选为对于细胞没有影响的纳米颗粒，更优选为碳化硅、纳米银与纳米金中的一种或多种；所述含纳米颗粒的电解液中纳米颗粒的浓度优选为0.1～0.5g/L，更优选为0.2～0.4g/L，再优选为0.25～0.3g/L；所述含纳米颗粒的电解液中的电解质为本领域技术人员熟知的电解质即可，并无特殊的限制，本发明中优选为磷酸二氢铵；所述含纳米颗粒的电解液中电解质的浓度优选为0.5～10mmol/L，更优选为0.5～8mol/L，再优选为0.5～5mmol/L，再优选为1～3mmol/L，最优选为1mmol/L。
为利于电沉积反应的进行，所述含纳米颗粒的电积液的温度优选为40℃～50℃，更优选为46℃～50℃；所述电沉积的电流强度优选为8mA/cm2～9mA/cm2。
按照本发明，优选采用上述的表面改性的装置进行，具体为：将纳米颗粒与电解液加入至超声搅拌装置中，通过超声与磁力搅拌形成悬浊液即含纳米颗粒的电解液；含纳米颗粒的电解液通过含纳米颗粒的电解液进液装置流入加工槽中，优选经先经加热系统加热后再通过含纳米颗粒的电解液进液装置流入加工槽中，然后电源接通，在正极板与负极板的作用下，含纳米颗粒的电解液在加工槽中通过电沉积对待加工金属工件表面进行改性；所述正极板与负极板的距离优选为3～10mm，更优选为3～6mm，再优选为3～4mm。
由于待加工金属工件带负电荷，含纳米颗粒的电解液在待加工金属工件的表面发生氧化反应，由于阴极大量析出氢气，导致工件表面附近氢氧根浓度增加，并且电解液中含纳米颗粒，从而利用电沉积效应将纳米颗粒“焊”在金属工件表面，在工件表面形成凹凸亲疏水表面。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种金属表面改性的方法与表面改性的装置进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施例1
提供图1所示的金属表面改性的装置，其中1为加热系统，2为超声搅拌装置，3为CCD在线视频检测系统，4为主轴，5为正极板，6为负极板，7为含纳米颗粒的电解液进液管，8为废液存储装置，9为排液管，10为减震装置，11为升降装置，12为夹具，13为待加工金属工件，14为恒流电源，15为集成控制柜；CCD在线视频检测系统安装在主轴上。
纳米颗粒为碳化硅，电解液为浓度1mmol/L的磷酸二氢铵，将两者加入至超声搅拌装置内进行超声搅拌，形成悬浊液，碳化硅的浓度为0.25g/L，然后经加热系统加热后经进液管流入加工槽内，接通恒流电源，电流的强度为8mA/cm2～9mA/cm2，正极板与负极板的距离为3～4mm，进行电沉积反应，得到表面改性的金属工件。
实施例1中得到的表面改性的金属工件的照片如图2所示。
实施例1中得到的表面改性的金属工件的放大照片如图3所示，其中颗粒附着于工件表面，改性后亲疏水表面角度CA为152.15。

Claims (10)

1.一种表面改性的装置，其特征在于，包括：
加工槽；所述加工槽内设置有负极板；
正极板；所述正极板位于加工槽上方与负极板相对的位置；
含纳米颗粒的电解液进液装置；所述含纳米颗粒的电解液进液装置与所述加工槽相连通；
电源；所述电源的阳极与正极板相连；所述电源的阴极与负极板相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加工槽内还设置有待加工金属工件固定装置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括超声搅拌装置；所述超声搅拌装置包括纳米颗粒进料口、电解液进料口与出口；所述超声搅拌装置的出口与所述含纳米颗粒的电解液进液装置相连通。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述含纳米颗粒的电解液进液装置还设置有加热系统。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括升降装置；所述加工槽设置于所述升降装置上。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升降装置上还设置有减震装置。
7.一种表面改性的方法，其特征在于，包括：
将待加工金属工件浸入含纳米颗粒的电解液中，使待加工金属工件带负电荷，进行电沉积，得到表面改性的金属工件。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述含纳米颗粒的电解液中纳米颗粒为碳化硅、纳米银与纳米金中的一种或多种；所述含纳米颗粒的电解液中电解质的浓度为0.5～10mmol/L；所述含纳米颗粒的电解液中纳米颗粒的浓度为0.1～0.5g/L。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述含纳米颗粒的电解液的温度为40℃～50℃。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电沉积的电流强度为8mA/cm2～9mA/cm2。
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