CN108342733A - 一种图案化润湿性表面加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图案化润湿性表面加工方法，属于金属表面处理及改性技术领域。该方法在金属基体上采用马克笔或非接触式喷墨打印机涂覆所需墨迹图案，再通过金属与特定溶液氧化产生微纳米结构构筑图案化润湿性表面。该方法包含的步骤有：金属基体表面预处理去除污垢和氧化层、马克笔或非接触喷墨打印机涂覆所需墨迹图案、选择性氧化腐蚀构筑微纳米结构等。本发明设备及工艺简单便捷，成本低，可控性较好；适用于多种金属及其合金；可通过马克笔或非接触喷墨打印机涂覆实现任意形状的润湿性图案；可实现任意曲面基体的润湿性图案化；可实现任意大小润湿性图案表面的制备。

Description

一种图案化润湿性表面加工方法
技术领域
本发明属于金属表面处理及改性技术领域，涉及到一种图案化润湿性表面加工方法。
背景技术
极端润湿性表面是指与液体的接触角大于150°或小于10°的表面。其中与水的接触角大于150°的称为超疏水表面，小于10°的称为超亲水表面。自然界中存在大量天然的超疏水和超亲水表面，如具有自清洁效应的荷叶表面，在水面可自由行走的水黾的腿部，在空气中具有超亲水性而在水下具有超疏油特性。通过人工制备出的图案化润湿性表面在液滴操控、取样、感应、反应、定向运输等方面具有广泛的应用。
近年来，随着润湿性表面制备工艺的不断发展，研究者们开始在润湿性表面上借助其他手段进行润湿性的控制，制备出图案化润湿性表面。目前制备图案化润湿性表面主要有紫外线照射、激光辐射、电火花线切割、氮气冷等离子处理等技术或方法。专利CN101603177A、CN101016642A等介绍了采用紫外线照射处理材料表面获得图案化极端润湿性表面的方法。Wu等用飞秒激光照射的方法在镍上制备出图案化润湿性表面，在有图案的表面上实现了水下油滴的操作。Yu等采用电火花线切割技术，在金属基体表面产生了粗糙的氧化层，实现不同合金基体上的图案化润湿性表面。Huang等利用氮气冷等离子体处理的方法构筑图案化润湿性表面。这些方法的局限性在于，它们都需要复杂的多步骤处理和昂贵的设备，得到的图案化表面精度较差，且图案化效果不稳定。因此有必要研发一种简单、高效、经济的图案化润湿性表面制备工艺。
发明内容
本发明解决的问题是克服现有技术制备润湿性图案化表面的复杂性、设备昂贵、精度差等不足，发明了一种制备金属基体的图案化润湿性表面的方法。通过采用马克笔或非接触式喷墨打印机涂覆所需要的图案，再进行选择性氧化腐蚀的方法，获得金属基体图案化润湿性表面。该方法简单、成本低，获得的润湿性图案精度高，可实现任意形状的润湿性图案。
本发明的技术方案：
一种图案化润湿性表面加工方法，步骤如下：
(1)将金属基体放入醋酸溶液中清洗，去除表面污垢和氧化层后取出在空气中干燥；在清洗后的金属基体表面用马克笔或非接触喷墨打印机涂覆所需墨迹图案，将涂覆有墨迹图案的金属基体表面置于溶液中反应产生微纳米结构，将反应后的金属基体取出后用丙酮清洗去除墨迹图案，即得到图案化微纳米结构表面；该图案化微纳米结构表面具有亲水/超亲水图案化润湿性及水下亲油/超疏油图案化润湿性；
(2)步骤1得到的图案化微纳米结构表面经低表面能的氟硅烷室温25℃下浸泡修饰30-60分钟，80℃烘干后具有疏水/超疏水图案化润湿性。
将涂覆有墨迹图案的金属基体表面置于溶液中反应产生微纳米结构，具体如下：
所述的金属基体为铝基时，室温25℃下置于浓度为1-3M的氯化铜溶液中反应5s；
所述的金属基体为铜基时，室温25℃下置于浓度为0.1M的过硫酸铵和0.1M的碳酸氢钠混合溶液中反应24h；
所述的金属基体为锌基时，室温25℃下置于浓度为1M的硫酸和0.2M的硫酸铜混合溶液中反应20s；
所述的金属基体为铁基时，室温25℃下置于浓度为10-200g/L三氯化铁酒精溶液中反应20-180分钟；
所述的金属基体为钛基时，120℃下置于72％的硫酸溶液中反应30分钟；镁基材料80℃下置于浓度为0.2M的硫酸铜溶液中反应10分钟。
本发明的有益效果：
(1)加工方法通用性强，适用于铝、铜、锌、铁、钛、镁等多种金属及其合金。
(2)工艺简单便捷，成本低，图案可控性较好，精度高。
(3)可通过马克笔或非接触式喷墨打印机涂覆实现任意形状润湿性图案。
(4)马克笔和非接触式喷墨打印机可在任意形状的表面上涂覆，因而可实现曲面的润湿性图案化制备。
(5)利用此法制备润湿性图案化表面不受基体面积的影响，可实现任意大小润湿性图案化表面的制备。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是实施例一具体工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例一
利用本发明的方法对铜基体进行润湿性图案化表面加工，结合本发明的流程如附图1所示，具体步骤如下：
(1)铜板表面预处理：将铜板放入1M的醋酸溶液中腐蚀1分钟，取出后氮气干燥，去除铜板表面污垢和氧化层。
(2)涂覆所需图案：用马克笔或非接触式喷墨打印机在经过步骤(1)获得的铜板表面涂覆实际所需的图案。
(3)选择性氧化腐蚀：将步骤(2)获得带有图案的铜板放入浓度为0.1M的过硫酸铵和0.1M的碳酸氢钠混合溶液中反应24h。
(4)表面清洗和干燥：将步骤(3)处理好的铜片放入丙酮溶液中清洗，然后在空气中干燥。该铜板图案化结构表面具有亲水/超亲水图案化润湿性及水下亲油/超疏油图案化润湿性。图案化结构表面经低表面能物质修饰后具有疏水/超疏水图案化润湿性。
实施例二
利用本发明的方法对铝基体进行润湿性图案化表面加工，结合本发明的流程如附图1所示，具体步骤如下：
(1)铝板表面预处理：采用600#和1000#砂纸打磨铝板，打磨完毕后置于去离子水中超声振动清洗，去除铝基体表面油脂和杂质。
(2)涂覆所需图案：用马克笔或非接触式喷墨打印机在经过步骤(1)获得的铝板表面涂覆实际所需的图案。
(3)选择性氧化腐蚀：将步骤(2)获得带有图案的铝板放入浓度为1M的氯化铜溶液中反应5s。
(4)表面清洗和干燥：将步骤(3)处理好的铝板放入去离子水中超声清洗，然后在氮气中干燥。该铝板图案化结构表面具有亲水/超亲水图案化润湿性及水下亲油/超疏油图案化润湿性。图案化结构表面经低表面能物质修饰后具有疏水/超疏水图案化润湿性。
本发明所需设备简单，具有加工快速、成本低、无污染、通用性高等优点，适用于所有金属及其合金，可实现形状复杂的润湿性图案的大面积加工。

Claims (2)

1.一种图案化润湿性表面加工方法，其特征在于，步骤如下：
(1)将金属基体放入醋酸溶液中清洗，去除表面污垢和氧化层后取出在空气中干燥；在清洗后的金属基体表面用马克笔或非接触喷墨打印机涂覆所需墨迹图案，将涂覆有墨迹图案的金属基体表面置于溶液中反应产生微纳米结构，将反应后的金属基体取出后用丙酮清洗去除墨迹图案，即得到图案化微纳米结构表面；该图案化微纳米结构表面具有亲水/超亲水图案化润湿性及水下亲油/超疏油图案化润湿性；
(2)步骤1得到的图案化微纳米结构表面经低表面能的氟硅烷室温25℃下浸泡修饰30-60分钟，80℃烘干后具有疏水/超疏水图案化润湿性。
2.根据权利要求1所述的图案化润湿性表面加工方法，其特征在于，将涂覆有墨迹图案的金属基体表面置于溶液中反应产生微纳米结构，具体如下：
所述的金属基体为铝基时，室温25℃下置于浓度为1-3M的氯化铜溶液中反应5s；
所述的金属基体为铜基时，室温25℃下置于浓度为0.1M的过硫酸铵和0.1M的碳酸氢钠混合溶液中反应24h；
所述的金属基体为锌基时，室温25℃下置于浓度为1M的硫酸和0.2M的硫酸铜混合溶液中反应20s；
所述的金属基体为铁基时，室温25℃下置于浓度为10-200g/L三氯化铁酒精溶液中反应20-180分钟；
所述的金属基体为钛基时，120℃下置于72％的硫酸溶液中反应30分钟；镁基材料80℃下置于浓度为0.2M的硫酸铜溶液中反应10分钟。
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