CN109680308A - 以天然木材为模板电镀制备颗粒状疏水镍材料的方法 - Google Patents

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王天驰
孔见
韦正
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Abstract

本发明公开了一种以天然木材为模板电镀制备颗粒状疏水镍材料的方法。所述方法以胡桃木为模板，在非氧化性气氛下高温烧结，得到具有多孔结构的碳素材料；再采用电镀的方法在碳素材料表面电镀一层镍，得到颗粒状镍的复合表面；镍表面最后经十七氟癸基三乙氧基硅烷修饰，获得颗粒状疏水镍材料。本发明制得的镍材料以木材多孔结构为基底，在多孔结构上修饰了粗糙结构，这种分级结构使得镍表面具有优异的疏水性能，提高了镍的防水吸附和防腐能力，延长了镍材料的使用寿命。

Description

以天然木材为模板电镀制备颗粒状疏水镍材料的方法
技术领域
本发明属于疏水材料制备技术领域，涉及一种以天然木材为模板采用电镀法制备颗粒状疏水镍材料的方法。
背景技术
镍是一种银白色金属，镍质坚硬，有很好的延展性、磁性和抗腐蚀性，且能高度磨光，被广泛用于飞机、雷达等各种军工制造业，民用机械制造业和电镀工业等。镍的化学性质活泼，在常温的空气中很容易被氧化，表面生成一层发乌的氧化膜，可阻止进一步氧化，该氧化层能有效保证镍材料的抗腐蚀性能，所以镍大量应用在制造不锈钢、合金结构钢等钢铁领域，电镀，高镍基合金和电池等领域。镍的表面能较高，极易吸附液态物质，尤其在潮湿环境下，造成镍层的严重腐蚀，导致镀镍材料的寿命变短。将镍表面制备成疏水，减少水珠的附着，能有效解决这一问题。
目前疏水金属表面的制备技术主要包括平板印刷技术、相分离技术、模板加工技术、溶胶凝胶技术、静电纺丝技术等方法。常丽静等人以棕叶为模板，通过浸渍烧结的方法制备出疏水铜表面。但是这些植物叶片模板在烧结过程中会损失一部分的微细结构，如棕叶经过真空烧结后其表面的纳米级片层状薄片便不复存在，在一定程度上损失了原模板的结构多级复杂程度(Chang L,Wang T,Kong J,et al.Preparation and hydrophobicitiesof biomorphic ZnO based on carbon derived from indicalamus leaf template[J].Advances in Applied Ceramics,2013,112(7):419-423.)。陈凯等人通过电镀的方法在碳化叶片碳上制得疏水锌表面，虽然锌在微米级乳突上形成了更细小的颗粒状结构，但碳化后叶片模板脆弱，制得的机械强度较弱(Wang T,Chen K,Sun X,et al.Preparation ofa Super-Hydrophobic Zinc Coating with a Hierarchical Structure Inherited fromthe Indicalamus Leaf through Electroplating[J].Advanced Materials Interfaces,2018.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以天然木材为模板电镀制备颗粒状疏水镍材料的方法。该方法以胡桃木作为模板，通过非氧化气氛保护烧结获得多孔表面结构的碳素材料，再电镀在其表面获得一层颗粒状镍膜，并用低表面能物质加以修饰，制得机械强度高、耐腐蚀、耐磨性能好和使用寿命长的疏水镍材料。
实现本发明目的的技术解决方案为：
以天然木材为模板电镀制备颗粒状疏水镍材料的方法，具体步骤如下：
步骤1，将胡桃木置于非氧化性气氛中烧结，烧结温度为600～800℃，升温速率不大于5℃/min，制得具有天然木材多孔结构的碳素材料；
步骤2，以碳素材料作为阴极，在镍盐溶液中电镀，电镀时间为30～180s，电流密度为0.02～0.2A/cm2，至碳素材料表面附着均匀镍层；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在体积分数为10％～24％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的异丙醇溶液中，浸泡6天以上，浸泡结束后取出干燥，得到颗粒状疏水镍材料。
优选地，步骤1中，所述的非氧化性气氛为氩气或氮气。
优选地，步骤1中，所述的升温速率为1～5℃/min。
优选地，步骤2中，所述的镍盐为硫酸镍或氯化镍。
优选地，步骤2中，所述的镍盐溶液的浓度为0.2～1mol/L。
优选地，步骤3中，所述的十七氟癸基三乙氧基硅烷的的异丙醇溶液的体积分数为14％～20％。
优选地，步骤3中，所述的浸泡时间为6～11天。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明的镍表面以胡桃木表面多孔结构为基底，同时镀镍呈颗粒状结构，形成了分级粗糙结构，具有优异的疏水性能，提高了镍镀层的防水吸附和防腐蚀能力。
(2)本发明在块体木炭上获得厚度大、分布均匀的镍层，该镀层机械强度高，耐腐蚀、耐磨性能好，使用寿命长，疏水镍表面制备成功率高。
(3)本发明方法简单、稳定、实用，制备的镍膜分布均匀，致密，机械性能强、与基体结合好、有光泽。
附图说明
图1是胡桃木表面微观结构的扫描电镜图。
图2是实施例1中制得的镍表面实物图。
图3是实施例1中制得的镍表面的X衍射图谱。
图4是实施例1中制得的镍表面微观结构的扫描电镜图。
图5是实施例1中制得的镍表面与水的接触角图。
图6是实施例2中制得的镍表面与水的接触角图。
图7是实施例3中制得的镍表面与水的接触角图。
图8是实施例4中制得的镍表面与水的接触角图。
图9是实施例5中制得的镍表面与水的接触角图。
图10是实施例6中制得的镍表面与水的接触角图。
图11是对比例1中制得的镍表面与水的接触角图。
图12是对比例2中制得的镍表面与水的接触角图。
图13是对比例3中的镍表面与水的接触角图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
本发明利用胡桃木为模板，将其在非氧化性气氛中烧结，烧结时木材的有机物发生分解，氧、氢、氮和部分碳转变为气体挥发，而其中的绝大部分碳元素则保留下来，从而得到碳模板。这种碳模板保留了胡桃木特殊的多孔结构。将碳素材料作为电解池阴极，在镍盐溶液中进行电镀，可以在多孔表面结构上得到二级颗粒状的镍镀层。该镍表面在低表面能的十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液中浸泡过程中，十七氟癸基三乙氧基硅烷通过水解和缩聚在镍镀层表面形成极薄的覆盖层。当水落在制备的疏水镍表面上，构成cassie润湿，分级颗粒状微观结构能够有效截留空气在液滴下面，使得液滴不能浸润到微观结构内部，液滴与表面接触面变小，表面黏附力较弱，因此水在表面张力作用下可凝成水珠，从而实现疏水性。
本发明在胡桃木模板上采用电镀方法获得镍表面，相比于在植物叶片模板上电镀金属材料有着很大优势。例如在荷叶、粽叶上电镀锌时，锌虽能在乳突上形成更细微的结构，但烧结后的叶片脆性很高，机械强度极低，制备成功率也低。而在木材木板上电镀镍可形成颗粒状的镍镀层，达到疏水的要求，同时镀层机械强度好，耐腐蚀性能好，使用寿命长，疏水镍表面制备成功率高。
实施例1
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以2℃/分钟的升温速率加热至800℃，制得具有多孔结构的碳素材料；
步骤2，将多孔碳材料作为电解池的阴极电极，在硫酸镍溶液中进行电镀，硫酸镍溶液浓度为0.6mol/L，电流密度采用0.2A/cm2，控制电镀时间为120s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为14％的异丙醇溶液中，浸泡7天后取出晾干，制得颗粒状疏水镍材料。
图1是胡桃木表面微观结构的扫描电镜图，可见胡桃木表面多种孔径分布的结构。
图2是电镀制得的镍材料实物图，可见在材料表面形成了一层银白色的镀镍层。
图3是制得的镍材料的X衍射图谱，可知该镀层主要组成为镍及氧化镍。
图4是制得的镍材料高倍微观结构的扫描电镜图。可见碳模板孔结构上生长出颗粒状的镍层，该结构沿着孔四周生长，保留了胡桃木天然的微米级多孔结构，在天然基底上二次修饰，该颗粒状镀层结构对于镍表面材料具有疏水性能起到关键作用。
图5是制得的镍材料与水的接触角图，θ接触角＝140°，达到疏水性。
实施例2
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以3℃/分钟的升温速率加热至800℃，制得具有木材多孔结构碳素材料；
步骤2，将碳素材料作为电解池的阴极电极，在硫酸镍溶液中进行电镀，硫酸镍溶液浓度为0.2mol/L，电流密度采用0.2A/cm2，控制电镀时间为120s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为20％的异丙醇溶液中，浸泡11天后取出晾干，制得颗粒状疏水镍材料，接触角达133°。
实施例3
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以1℃/分钟的升温速率加热至600℃，制得具有木材多孔结构碳素材料；
步骤2，将碳素材料作为电解池的阴极电极，在氯化镍溶液中进行电镀，氯化镍溶液浓度为1mol/L，电流密度采用0.15A/cm2，控制电镀时间为120s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为17％的异丙醇溶液中，浸泡8天后取出晾干，制得颗粒状疏水镍材料，接触角达138°。
实施例4
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以1℃/分钟的升温速率加热至600℃，制得具有木材多孔结构碳素材料；
步骤2，将碳素材料作为电解池的阴极电极，在氯化镍溶液中进行电镀，氯化镍溶液浓度为1mol/L，电流密度采用0.02A/cm2，控制电镀时间为120s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为17％的异丙醇溶液中，浸泡8天后取出晾干，制得颗粒状疏水镍材料，接触角达138°。
实施例5
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以2℃/分钟的升温速率加热至700℃，制得具有木材多孔结构碳素材料；
步骤2，将碳素材料作为电解池的阴极电极，在氯化镍溶液中进行电镀，氯化镍溶液浓度为0.6mol/L，电流密度采用0.2A/cm2，控制电镀时间为30s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为17％的异丙醇溶液中，浸泡8天后取出晾干，制得颗粒状疏水镍材料，接触角达137°。
实施例6
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以2℃/分钟的升温速率加热至700℃，制得具有木材多孔结构碳素材料；
步骤2，将碳素材料作为电解池的阴极电极，在氯化镍溶液中进行电镀，氯化镍溶液浓度为0.6mol/L，电流密度采用0.2A/cm2，控制电镀时间为180s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为17％的异丙醇溶液中，浸泡8天后取出晾干，制得颗粒状疏水镍材料，接触角达134°。
对比例1
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以2℃/分钟的升温速率加热至700℃，制得具有木材多孔结构碳素材料；
步骤2，将碳素材料作为电解池的阴极电极，在氯化镍溶液中进行电镀，氯化镍溶液浓度为0.6mol/L，电流密度采用0.2A/cm2，控制电镀时间为15s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为17％的异丙醇溶液中，浸泡8天后取出晾干，制得改性镍材料，接触角仅为116°。
对比例2
步骤1，将胡桃木置于氩气气氛炉中以2℃/分钟的升温速率加热至700℃，制得具有木材多孔结构碳素材料；
步骤2，将碳素材料作为电解池的阴极电极，在氯化镍溶液中进行电镀，氯化镍溶液浓度为0.6mol/L，电流密度采用0.2A/cm2，控制电镀时间为600s，获得颗粒状镍表面；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为17％的异丙醇溶液中，浸泡8天后取出晾干，制得改性镍材料，接触角仅为117°。
对比例3
将光滑的镍片浸泡在十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积分数为17％的异丙醇溶液中，浸泡8天后取出晾干，测得接触角仅为115°。

Claims (7)

1.以天然木材为模板电镀制备颗粒状疏水镍材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将胡桃木置于非氧化性气氛中烧结，烧结温度为600～800℃，升温速率不大于5℃/min，制得具有天然木材多孔结构的碳素材料；
步骤2，以碳素材料作为阴极，在镍盐溶液中电镀，电镀时间为30～180s，电流密度为0.02～0.2A/cm2，至碳素材料表面附着均匀镍层；
步骤3，将表面镀镍的材料浸泡在体积分数为10％～24％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的异丙醇溶液中，浸泡6天以上，浸泡结束后取出干燥，得到颗粒状疏水镍材料。
2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的非氧化性气氛为氩气或氮气。
3.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的升温速率为1～5℃/min。
4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的镍盐为硫酸镍或氯化镍。
5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的镍盐溶液浓度为0.2～1mol/L。
6.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的十七氟癸基三乙氧基硅烷的异丙醇溶液的体积分数为14％～20％。
7.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的浸泡时间为6～11天。
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