CN107761085B - 一种一步法制备铝基超疏水表面的方法 - Google Patents
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Abstract
一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，属于金属表面处理技术领域。所述方法如下：配制氯化钠水溶液和全氟代十四酸乙醇溶液，将两种溶液混合后倒入水热反应釜，再将砂纸打磨并超声清洗后的纯铝片垂直放入水热反应釜中，密封后将水热反应釜置于恒温箱中，反应一段时间后将铝片取出，清洗、干燥后即得到具有微纳结构的铝基超疏水表面。本发明的优点是：制备方法简单、易操作；对设备要求低，不需要昂贵的设备，实验条件不苛刻，可以实现铝基超疏水表面的大面积、低成本制备；对水的接触角达到160°，滚动角约为3°，制备的铝基超疏水表面具有自清洁、防结冰、减阻等特点。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种一步法制备铝基超疏水表面的方法。
背景技术
表面润湿性是固体表面一个非常重要的性质，在工业、农业生产以及人类的日常生活中扮演着十分重要的角色。近十几年来，受荷叶表面超疏水性质的启发人们对超疏水表面的制备和性质进行了大量的实验探索。研究表明超疏水表面具有自清洁、防腐蚀、减阻、防结霜、抗菌等优异的性质，在自清洁玻璃、防水衣服等日常生活方面，在缓解金属腐蚀、降低微生物粘附的海洋事业方面，以及水上运输工具减小水的阻力、降低能源的消耗方面都有很广阔的应用前景。正是由于超疏水表面具有的这些优异性质和在很多方面的应用潜能，引起了人们对超疏水表面的广泛关注。
制备超疏水表面最重要的两个因素是表面结构和表面自由能。一般具有超疏水性质的表面都具有微米或者纳米级的粗糙结构，由于毛细管效应使得水无法进入粗糙结构的空隙中，因此对水具有极好的排斥性。表面自由能是决定其疏水性的另一重要因素，当金属的表面自由能远高于水的表面张力且表面结构粗糙时，表面是超亲水的，随着表面自由能的降低，疏水性能逐渐增强。目前大多数超疏水的研究制备过程都是首先构建具有微纳结构的粗糙表面，然后用低表面能物质进行修饰。目前制备超疏水表面的方法有很多种，比如阳极氧化、电化学沉积、气相沉积、离子刻蚀、化学刻蚀等等，但是这些方法都有各自的缺点，比如设备昂贵、条件苛刻、不易大面积制备、使用强酸强碱对操作人员的健康和环境有潜在的危害。而且上述大多数方法制备出的表面都需要进一步的化学修饰降低其表面能。一般采用浸泡法，将具有粗糙表面结构的基底放入含有低表面能物质的溶液中浸泡一段时间，即可实现低表面能分子在基底上的自组装。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中条件苛刻、设备昂贵、原材料对人体有害的问题，提供一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，该种方法将金属铝放入氯化钠水溶液和全氟代十四酸酒精溶液的混合溶液中，在水热反应釜中进行水热合成，即可得到具有粗糙结构、低表面能的铝基超疏水表面。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，所述方法具体步骤如下：
配制氯化钠水溶液和全氟代十四酸乙醇溶液，将两种溶液混合后倒入水热反应釜中,控制温度为150-180℃，再将砂纸打磨并超声清洗后的纯铝片放入水热反应釜中，密封后将水热反应釜置于恒温箱中，反应一段时间后将铝片取出，清洗、干燥后即得到具有微纳结构的铝基超疏水表面。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、本发明采用一步水热法即可在金属铝上得到超疏水表面，制备方法简单、易操作。
2、本发明将制备粗糙的表面结构与低表面能物质修饰两步合二为一，对设备要求低，不需要昂贵的设备，实验条件不苛刻，可以实现铝基超疏水表面的大面积、低成本制备。
3、本发明制备的铝基超疏水表面对水的接触角达到160°，滚动角约为3°，可以对金属铝表面起到防污、自清洁的作用。
4、本发明在制备超疏表面的过程中不需要强酸强碱以及氧化性很强的试剂，因此不会对环境造成污染，提高了生产的安全性。
5、本发明制备的铝基超疏水表面具有防结霜、防结冰、减阻等特性，可减少冰雪冻灾对输电通讯电路、航空、航海等运输造成的损失。
6、本发明制备的铝基超疏水表面用于水上运输工具可以减小水的阻力，提高行驶速度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，所述方法具体步骤如下：
配制氯化钠水溶液和全氟代十四酸乙醇溶液，将两种溶液混合后倒入水热反应釜中，控制温度为150-180℃，再将砂纸打磨并超声清洗后的纯铝片放入水热反应釜中，密封后将水热反应釜置于恒温箱中，反应一段时间后将铝片取出，清洗、干燥后即得到具有微纳结构的铝基超疏水表面。
铝在高温下与水反应生成的Al2O3或者AlOOH，当反应时间为40min时，铝表面开始出现2-5μm的片状结构，此时对水的接触角达到152°；当反应时间为1h时，表面均匀分布有花状结构。这是因为氯化钠的加入会对铝片有一定的腐蚀作用，因此片状结构会在氯化钠腐蚀的点聚集，从而形成了花状结构，花状结构的直径为5-10μm，此时样片对水的接触角为156°；当反应时间延长到2h时，表面的花状结构连在一起布满了整个样片表面，此时样片对水的接触角为160°。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，所述的氯化钠水溶液的质量分数为0.5%-3.5%。
具体实施方式三：具体实施方式二所述的一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，所述的全氟代十四酸乙醇溶液的质量分数为0.5%-3%。
具体实施方式四：具体实施方式一、二或三所述的一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，所述的氯化钠水溶液和全氟代十四酸乙醇溶液混合的体积比为2~3:1。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，所述的恒温箱温度设置为150-180℃。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，所述的反应时间为1-3h。
实施例1：
将长和宽为5cm×2cm的矩形铝片，分别用800、1700目砂纸均匀打磨，然后用乙醇、去离子水分别超声波清洗5分钟，在空气中晾干。配制质量分数为1%的氯化钠水溶液，质量分数为1.3%的全氟代十四酸的乙醇溶液，将二者以体积比2:1的比例混合后加入水热反应釜中，将准备好的铝片垂直插入水热反应釜中。将水热反应釜密封后放入温度升至150℃的烘干箱中，反应2小时后取出。水热反应釜温度降至室温，将铝片取出，用去离子水将其冲洗干净，放入60℃恒温箱中干燥1小时，即可得到超疏水表面。此样片对水的接触角为160°，滚动角为3°。
实施例2：
将长和宽为5cm×2cm的矩形铝片，分别用800、1700目砂纸均匀打磨，然后用乙醇、去离子水分别超声波清洗5分钟，在空气中晾干。配制质量分数为1%的氯化钠水溶液，质量分数为1.3%的全氟代十四酸的乙醇溶液，将二者与丙三醇以体积比2:1:1的比例混合后加入水热反应釜中，将准备好的铝片垂直插入水热反应釜中。将水热反应釜密封后放入温度升至180℃的烘干箱中，反应2小时后取出。水热反应釜温度降低到室温，将铝片取出，用去离子水将其冲洗干净，放入60℃恒温箱中干燥1小时，即可得到超疏水表面。此样片对水的接触角为156°，滚动角为3°。此方法中加入甘油有助于降低溶液的整体沸点，可以适当将反应温度提高。
Claims (1)
1.一种一步法制备铝基超疏水表面的方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
配制氯化钠水溶液和全氟代十四酸乙醇溶液，将两种溶液混合后倒入水热反应釜中，控制温度为150-180℃，再将砂纸打磨并超声清洗后的纯铝片放入水热反应釜中，密封后将水热反应釜置于恒温箱中，反应一段时间后将铝片取出，清洗、干燥后即得到具有微纳结构的铝基超疏水表面；
所述的氯化钠水溶液的质量分数为0.5%-3.5%；
所述的全氟代十四酸乙醇溶液的质量分数为0.5%-3%；
所述的氯化钠水溶液和全氟代十四酸乙醇溶液混合的体积比为2~3:1；
所述的恒温箱温度设置为150-180℃；
所述的反应时间为1-3h；
铝在高温下与水反应生成的Al2O3或者AlOOH，当反应时间为40min时，铝表面开始出现2-5μm的片状结构，此时对水的接触角达到152°；当反应时间为1h时，表面均匀分布有花状结构；这是因为氯化钠的加入会对铝片有一定的腐蚀作用，因此片状结构会在氯化钠腐蚀的点聚集，从而形成了花状结构，花状结构的直径为5-10μm，此时样片对水的接触角为156°；当反应时间延长到2h时，表面的花状结构连在一起布满了整个样片表面，此时样片对水的接触角为160°。
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