CN111304656A

CN111304656A - 提升不锈钢表面疏水性能的方法

Info

Publication number: CN111304656A
Application number: CN202010133979.5A
Authority: CN
Inventors: 王海斗; 底月兰; 刘韬; 刘莹; 郑博源; 王力; 邢志国
Original assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2020-06-19

Abstract

本发明公开了一种提升不锈钢表面疏水性能的方法，所述方法包括以下步骤：预处理：对不锈钢试样表面进行预处理，以去除不锈钢试样表面加工痕迹及杂质；喷砂处理：将预处理后的不锈钢试样进行喷砂处理，喷砂完成后用无水乙醇对不锈钢试样进行清洗；刻蚀处理：将不锈钢试样浸入预先配制的刻蚀液中进行位错刻蚀，使不锈钢试样表面形成微孔洞结构与纳米颗粒密布的微‑纳双重结构；修饰处理：将不锈钢试样在室温条件下浸入PFDTES甲醇溶液中进行修饰；固化处理：对修饰后的不锈钢试样进行高温固化。本发明还公开一种外科医用手术器械。利用本发明，可以提高不锈钢表面疏水性能，使其具有自清洁的功能，延长使用寿命。

Description

提升不锈钢表面疏水性能的方法

技术领域

本发明涉及不锈钢表面处理技术领域，具体涉及一种提升不锈钢表面疏水性能的方法。

背景技术

不锈钢作为一种常见的金属材料，由于其卓越的力学性能、耐低温、耐蚀性、耐磨性和工艺性能等优点，已得到广泛应用。在现有技术中，通常使用化学刻蚀构筑不锈钢表面疏水结构，即配制能够腐蚀基体表面的刻蚀液，再将基体浸泡其中反应一定的时长。但由于不锈钢具有一定的耐蚀性，且不同型号的不锈钢成分及其含量有所差异，使其物理与化学性能也不相同，因此针对不同不锈钢表面构筑疏水结构的方法与刻蚀液不能完全通用。

发明内容

本发明实施例提供一种提升不锈钢表面疏水性能的方法，以有效提升不锈钢表面疏水性能，延长使用寿命。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种提升不锈钢表面疏水性能的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)预处理：对不锈钢试样表面进行预处理，以去除不锈钢试样表面加工痕迹及杂质；

(2)喷砂处理：将预处理后的不锈钢试样进行喷砂处理，喷砂完成后用无水乙醇对不锈钢试样进行清洗；

(3)刻蚀处理：将不锈钢试样浸入预先配制的刻蚀液中进行位错刻蚀，使不锈钢试样表面形成微孔洞结构与纳米颗粒密布的微-纳双重结构；

(4)修饰处理：将不锈钢试样在室温条件下浸入PFDTES甲醇溶液中进行修饰；

(5)固化处理：对修饰后的不锈钢试样进行高温固化。

可选地，所述对不锈钢试样表面进行预处理包括：

用砂纸对不锈钢试样表面进行打磨，以去除不锈钢试样表面加工痕迹及杂质；

将打磨后的不锈钢试样浸入无水乙醇中清洗并吹干。

可选地，所述用砂纸对不锈钢试样表面进行打磨包括：

依次用600#，800#，1000#，1500#，2000#的砂纸对不锈钢试样表面进行打磨。

可选地，所述刻蚀液由盐酸、氢氟酸、以及蒸馏水配制而成。

可选地，所述刻蚀液中包含：40ml 37％盐酸，2.5ml 40％氢氟酸，12.5ml蒸馏水。

可选地，进行位错刻蚀的时长为30分钟。

可选地，所述步骤(3)中还包括：刻蚀完成后对不锈钢试样进行清洗。

可选地，所述刻蚀完成后对不锈钢试样进行清洗包括：

先用蒸馏水对不锈钢试样进行清洗，然后再用无水乙醇对不锈钢试样进行清洗。

可选地，所述对修饰后的不锈钢试样进行高温固化包括：

对修饰后的不锈钢试样在120℃～150℃环境下高温固化。

一种外科医用手术器械，所述器械采用马氏体不锈钢制作，并且通过前面所述的方法对马氏体不锈钢表面进行处理。

本发明实施例提供的提升不锈钢表面疏水性能的方法，通过喷砂这种物理方法使不锈钢试样表面产生微小形变与应力集中，在浸入位错刻蚀液后，应力集中区域优先被刻蚀，使不锈钢试样表面形成明显的微米孔洞结构；同时，由于位错刻蚀液的作用，不锈钢试样表面形成了纳米级的沟壑与颗粒结构，从而使试样表面形成了微-纳双重结构。再经过低表面能修饰，降低了基体表面能，充分提升了其疏水性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提升不锈钢表面疏水性能的方法的一种流程图；

图2是本发明实施例中对不锈钢试样进行不同时间的喷砂处理后表面三维形貌；

图3是不锈钢试样在不同喷砂时间后的润湿接触角变化示意图；

图4是不锈钢试样在不同刻蚀时间后的润湿接触角变化示意图；

图5是不锈钢试样在不同刻蚀时间后的表面形貌；

图6是不锈钢试样表面的微-纳双重结构；

图7是不锈钢试样经过不同时间修饰后的疏水效果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

本发明实施例提供一种提升不锈钢表面疏水性能的方法，通过喷砂这种物理方法使不锈钢试样表面产生微小形变与应力集中，在浸入位错刻蚀液后，应力集中区域优先被刻蚀，使不锈钢试样表面形成明显的微米孔洞结构；同时，由于位错刻蚀液的作用，不锈钢试样表面形成了纳米级的沟壑与颗粒结构，从而使试样表面形成了微-纳双重结构。再经过低表面能修饰，降低了基体表面能，充分提升了其疏水性能。

如图1所示，本发明提升不锈钢表面疏水性能的方法主要包括以下步骤：

步骤101，预处理：对不锈钢试样表面进行预处理，以去除不锈钢试样表面加工痕迹及杂质；

步骤102，喷砂处理：将预处理后的不锈钢试样进行喷砂处理，喷砂完成后用无水乙醇对不锈钢试样进行清洗；

步骤103，刻蚀处理：将不锈钢试样浸入预先配制的刻蚀液中进行位错刻蚀，使不锈钢试样表面形成微孔洞结构与纳米颗粒密布的微-纳双重结构；

步骤104，修饰处理：将不锈钢试样在室温条件下浸入PFDTES甲醇溶液中进行修饰；

步骤105，固化处理：对修饰后的不锈钢试样进行高温固化。

下面对上述各步骤进行详细说明。

在上述步骤101中，对不锈钢试样表面进行预处理包括：

首先，用砂纸对不锈钢试样表面进行打磨，以去除不锈钢试样表面加工痕迹及杂质(比如油污等)；

然后，将打磨后的不锈钢试样浸入无水乙醇中清洗并吹干，比如超声振荡清洗5分钟并吹干。

需要说明的是，在用砂纸打磨不锈钢试样表面时，根据实际应用需要，可以选用不同型号的砂纸来完成打磨过程。当然，也可以利用多种型号的砂纸由粗到细依次进行打磨，比如，依次用600#，800#，1000#，1500#，2000#的砂纸对不锈钢试样表面进行打磨。

在上述步骤102中，喷砂参数可以如下：粒度140～160目、压力0.7～0.9MPa，喷砂枪口距不锈钢试样约4.5～5.5cm。喷砂时间的长短可以根据需要对试样表面平整度的需求来设定，喷砂时间越长，试样表面的平整度越低，微观形貌更加复杂。

比如，喷砂枪口距试样约5cm，使用粒度150目、压力0.8MPa的喷砂参数，分别对不锈钢试样进行60s，120s，180s喷砂处理，表面三维形貌如图2所示。其中，(a)对应的喷砂时间：60s；(b)对应的喷砂时间：120s；(c)对应的喷砂时间：180s。

由图2可以看出，随着喷砂时间的延长，试样表面的平整度越低，微观形貌更加复杂。

喷砂时间与润湿接触角(WCA)的关系如图3所示，润湿接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ，接触角的大小说反映了液体对固体的润湿程度。

由图3可知，喷砂时间与润湿接触角大小呈正相关，由于砂砾撞击形成的大量沟壑结构更有利于将空气存储在其中，提高气-液接触面积，较长的喷砂时间使得沟壑结构的分布更加密集，从而提高了润湿接触角。

在上述步骤103中，所述刻蚀液由盐酸、氢氟酸、以及蒸馏水配制而成，其成分的配比可以如下：40ml 37％盐酸，2.5ml 40％氢氟酸，12.5ml，刻蚀时间可以根据需要来设定。进一步地，刻蚀完成后，可以对不锈钢试样进行清洗，比如：先用蒸馏水对不锈钢试样进行清洗，然后再用无水乙醇对不锈钢试样进行清洗。

假设选用40ml 37％盐酸，2.5ml 40％氢氟酸，12.5ml蒸馏水配制而成的刻蚀液，对经过前面步骤(1)至步骤(2)处理后的Cr3C不锈钢试样分别刻蚀20min，30min，40min，60min，90min后，用大量蒸馏水清洗，然后将试样在无水乙醇中超声振荡清洗10分钟，润湿接触角变化如图4所示。

由图4中可以看出，在20～30min之间，润湿接触角随刻蚀时间的增加而增加，并在刻蚀30min时达到最大值109.67°，随着刻蚀时间的延长，在30-40min接触角快速减小，40min后接触角的数值缓慢减小并趋于稳定。

不锈钢试样在不同刻蚀时间后表面形貌变化如5所示，其中，(a)：未刻蚀试样；(b)：刻蚀20min；(c)刻蚀30min；(d)刻蚀60min；(e)刻蚀90min。

由图5可见，随着刻蚀时间的延长，不锈钢试样表面结构的复杂程度增加，并出现明显的孔洞结构。产生这种形貌的原因是由于砂砾在基体表面的撞击使其产生形变，喷砂后，基体表面产生许多微孔洞，在化学刻蚀作用下，微孔洞体积显著增加，在水平和纵深方向上尺寸增加，宏观上表现为孔洞结构更加明显。但在水平和纵深方向上的扩展速度存在差异，一味延长刻蚀时间并不能使试样表面出现大而深的孔洞，如图5(e)所示，当刻蚀时间达到90分钟时，孔洞结构中出现了一些大而浅的坑，相较于图5(c)，孔洞结构较为模糊。

在经过喷砂与刻蚀的两步处理后，试样的表面形成了微孔洞结构与纳米颗粒密布的微-纳双重结构，如图6所示，其中，左边图中白色反光的位置即为纳米颗粒结构密布的位置，右图是左图的局部放大效果图。

喷砂处理在不锈钢试样表面形成一些孔洞结构与形变缺陷部位，化学刻蚀使得孔洞结构扩大、加深，并且结合材料自身特性构筑出纳米级的颗粒结构，从而在不锈钢试样表面出现微-纳双重结构。诸多研究表明，微-纳双重结构能显著提高表面的接触角。粗糙表面的孔洞结构能够将空气存储在其中，形成一个气体层，从而避免了液体与固体基体直接接触。由Cassie-Baxter模型可知，接触面积中气体份数的增加能够提高表观接触角(即实际测量的接触角)，这种带有起伏的复杂孔洞结构能够很好地将空气存储在孔洞中，从而增加气体份数，提高接触角。

在上述步骤104中，可以将经过刻蚀处理后的不锈钢试样在室温条件下浸入5mmol/L的PFDTES(1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷)甲醇溶液，修饰一定时长，比如10至14小时。

修饰不同时间的疏水效果如图7所示，在修饰3小时后，基体润湿接触角变化不大，但在修饰12小时时基体表面有着最大的接触角142.49°。同时可以观察到，修饰后基体表面的润湿接触角有了较大的提升。

在上述步骤105中，可以在120℃～150℃环境下高温固化大约1至2小时。

利用上述本发明方法对马氏体不锈钢表面进行处理，利用处理后的不锈钢可以制作各种外科医用手术器械，比如，剪、钳、镊等，可以使所述外科医用手术器械具有更好的强度、硬度和耐蚀性能，能够长期在血液、组织液等生理环境中使用，不仅可有效延长其使用寿命，而且还保证了外科医用手术器械使用的安全性。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提升不锈钢表面疏水性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(5)固化处理：对修饰后的不锈钢试样进行高温固化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对不锈钢试样表面进行预处理包括：

将打磨后的不锈钢试样浸入无水乙醇中清洗并吹干。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述用砂纸对不锈钢试样表面进行打磨包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀液由盐酸、氢氟酸、以及蒸馏水配制而成。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述刻蚀液中包含：40ml37％盐酸，2.5ml40％氢氟酸，12.5ml蒸馏水。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行位错刻蚀的时长为30分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中还包括：刻蚀完成后对不锈钢试样进行清洗。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刻蚀完成后对不锈钢试样进行清洗包括：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对修饰后的不锈钢试样进行高温固化包括：

对修饰后的不锈钢试样在120℃～150℃环境下高温固化。

10.一种外科医用手术器械，其特征在于，所述器械采用马氏体不锈钢制作，并且通过权利要求1至9任一项所述的方法对马氏体不锈钢表面进行处理。