CN111876766A - 一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用，属于超疏水表面制备领域，包括以下步骤：S1、金属基体预处理：将金属基体清洗后，氮气吹干备用；S2、在金属基体上构建出有一定粗糙度的结构表面；S3、制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面：在步骤S2所获得的具有一定粗糙度的结构表面修饰低表面能物质，制得具有液滴自弹效应的超疏水表面。本发明基于超疏水表面表面能5‑20mJ·m‑2和23‑38mJ·m‑2的调控，控制超疏水表面液滴自弹跳效应效果明显，简单高效，能够基于一定粗糙结构表面快速获得具有不同液滴弹跳行为的超疏水表面，能够提高超疏水表面在降雾条件下大气腐蚀防护中的性能，可有望应用于液滴自弹跳效应对自清洁、冷凝传热、防冰防霜等领域。
Description
技术领域
本发明涉及超疏水表面的制备领域，具体的说是一种控制超疏水表面液滴自弹跳效应的制备方法。
背景技术
超疏水表面一般指与水的接触角大于150°的表面，有着独特的润湿性和自清洁、防冰防雾、抗氧化等特点，在冷凝传热、腐蚀防护等领域中都有着广泛的应用前景。近来研究发现，某些经过精细设计的超疏水表面具有液滴自弹跳效应，即超疏水表面上两个大小相近的液滴合并时，过剩的表面能克服液滴与表面之间的粘附能并转换为动能，液滴合并诱导弹跳行为的发生。在理论上，这种液滴自弹跳效应不同于荷叶效应，揭示了一种液滴从超疏水表面脱离的新方式，并能够对一些现象进行更充分的解释；在应用中，具有该效应的超疏水表面往往有着更为优异的冷凝条件下的大气腐蚀防护性能以及冷凝传热效率。
液滴自弹跳效应在理论上以及应用中的优势，促使研究者们开发了许多具有液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法。有研究通过光刻法进行粗糙结构精细设计，使超疏水表面具有液滴自弹跳的特性，这种方法设备昂贵，不适宜大规模生产。CN106634067A通过制备超疏水涂层，即对粗糙结构和表面能同时改变，使超疏水表面具有液滴自弹跳的特性，这种方法虽然成本低廉操作简单，但是涂料与金属间的结合力差，不如金属基体上直接构建的超疏水表面稳定。实际上，具有液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法还有许多地方可以改进：首先，已经报道的制备方法都存在设备昂贵、结合力差等缺陷；其次，表面能作为超疏水表面构建的重要因素，对构建具有液滴自弹跳效应的超疏水表面有着重要影响；最后，液滴自弹跳效应对超疏水表面应用和性能提高的适应性还未有定论，如从大气腐蚀防护角度，具有液滴自弹跳效应的超疏水表面是否能够应用在降雾条件下的大气腐蚀防护中。不论从理论上还是应用中，能够对超疏水表面液滴自弹跳效应进行控制的制备方法都是至关重要的，而这种控制制备方法却未有报道。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用，该制备方法简单高效，能够基于一定粗糙结构表面快速获得具有不同液滴弹跳行为的超疏水表面。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1、本发明提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、金属基体预处理：
将金属基体依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，氮气吹干备用；
S2、在金属基体上构建粗糙表面
配制0.1M-0.2M硝酸锌的水溶液，在搅拌下逐滴加入氨水使溶液pH值为8.0-9.5，混合均匀后转移至放有预处理后金属基体的反应釜中，并于60℃-100℃加热10小时-14小时，待冷却至室温，将金属基体取出并用超纯水清洗，氮气吹干，在金属基体上构建出有一定粗糙度的结构表面；
S3、制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面
在步骤S2所获得的具有一定粗糙度的结构表面修饰低表面能物质，制得具有液滴自弹效应的超疏水表面。
可选的，步骤S3中，基于超疏水表面表面能5-20mJ·m-2和23-38mJ·m-2的调控，控制超疏水表面液滴自弹跳效应：
表面能为5-20mJ·m-2的含氟低表面能物质采用高温修饰，将步骤S2制得粗糙表面放入反应釜中，加入10-20μL含氟低表面能物质并于100-140℃加热1-3小时，反应釜敞开放置0.25-1小时后于130-180℃加热0.5-2.0小时，制备得具有液滴自弹跳效应的超疏水表面；
表面能为23-38mJ·m-2的长链脂肪酸低表面能物质采用浸泡修饰，将步骤S2制得粗糙表面放入配制的0.1-0.2M的长链脂肪酸物质的乙醇溶液0.5-2.5小时，后加热至溶液结晶消失并将表面取出，用乙醇清洗后氮气吹干，制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面。
可选的，所述含氟低表面能物质具体指1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷。
可选的，所述长链脂肪酸低表面能物质具体指十八烷酸。
2、本发明另提供一种控制超疏水表面液滴自弹跳效应的应用，将上述制得的超疏水表面应用在降雾条件下、大气腐蚀防护、自清洁、冷凝传热、防冰防霜领域中。
本发明的一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明基于超疏水表面表面能5-20mJ·m-2和23-38mJ·m-2的调控，控制超疏水表面液滴自弹跳效应效果明显，简单高效，能够基于一定粗糙结构表面快速获得具有不同液滴弹跳行为的超疏水表面，能够提高超疏水表面在降雾条件下大气腐蚀防护中的性能，可有望应用于液滴自弹跳效应对自清洁、冷凝传热、防冰防霜等领域中。
附图说明
为了更清楚地描述本发明一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用的工作原理，下面将附上简图作进一步说明。
图1为本发明实施例1中水滴在超疏水表面上的接触角照片图。
图2为本发明实施例1中超疏水表面上液滴合并弹跳过程图。
图3为本发明实施例2中水滴在超疏水表面上的接触角照片图。
图4为本发明实施例2中超疏水表面上液滴合并过程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、金属基体预处理：
将金属基体依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，氮气吹干备用；
S2、在金属基体上构建粗糙表面
配制0.1M-0.2M硝酸锌的水溶液，在搅拌下逐滴加入氨水使溶液pH值为8.0-9.5，混合均匀后转移至放有预处理后金属基体的反应釜中，并于60℃-100℃加热10小时-14小时，待冷却至室温，将金属基体取出并用超纯水清洗，氮气吹干，在金属基体上构建出有一定粗糙度的结构表面；
S3、制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面
在步骤S2所获得的具有一定粗糙度的结构表面修饰低表面能物质，制得具有液滴自弹效应的超疏水表面。
步骤S3中，基于超疏水表面表面能5-20mJ·m-2和23-38mJ·m-2的调控，控制超疏水表面液滴自弹跳效应：
表面能为5-20mJ·m-2的含氟低表面能物质采用高温修饰，将步骤S2制得粗糙表面放入反应釜中，加入10-20μL含氟低表面能物质并于100-140℃加热1-3小时，反应釜敞开放置0.25-1小时后于130-180℃加热0.5-2.0小时，制备得具有液滴自弹跳效应的超疏水表面；
表面能为23-38mJ·m-2的长链脂肪酸低表面能物质采用浸泡修饰，将步骤S2制得粗糙表面放入配制的0.1-0.2M的长链脂肪酸物质的乙醇溶液0.5-2.5小时，后加热至溶液结晶消失并将表面取出，用乙醇清洗后氮气吹干，制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面。
上述含氟低表面能物质具体指1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷。
上述长链脂肪酸低表面能物质具体指十八烷酸。
上述制得的超疏水表面，可应用在降雾条件下、大气腐蚀防护、自清洁、冷凝传热、防冰防霜领域中。
实施例1
本发明提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、将锌片裁剪成100.0mm×10.0mm×0.15mm大小，依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，氮气吹干备用。
S2、配制0.125M硝酸锌的水溶液80mL，在搅拌下逐滴加入氨水使溶液pH值为9.0，混合均匀后转移至垂直放有步骤S1锌片的反应釜中并于80℃加热12小时。待反应釜自然冷却至室温，将水热处理后的锌片取出并用超纯水清洗，氮气吹干。
S3、将步骤S2制得表面垂直放入反应釜中，加入15μL1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷并于120℃加热2小时，反应釜敞开放置0.5小时后于150℃加热1小时，待反应釜自然冷却至室温，取出制备得超疏水表面。
对制得表面进行微观形貌组成表征得表面氧化锌纳米棒。制得表面接触角照片示于图1，水滴体积为3μL，接触角为170°，具有超疏水特性。对制得表面进行液滴自弹跳效应的测试：将超疏水表面竖直放置在两块过冷铜块之间(～1℃)，使光学显微镜每秒拍摄一张表面冷凝照片，记录时间持续1000s，控制环境相对湿度65±3％，环境温度21±2℃。超疏水表面发生冷凝液滴合并后弹跳，表面上形成的冷凝液滴比较稀疏，具有液滴自弹跳效应，测试结果示于图2。
实施例2
本发明提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、将锌片裁剪成100.0mm×10.0mm×0.15mm大小，依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，氮气吹干备用。
S2、配制0.125M硝酸锌的水溶液80mL，在搅拌下逐滴加入氨水使溶液pH值为9.0，混合均匀后转移至垂直放有步骤S1锌片的反应釜中并于80℃加热12小时，待反应釜自然冷却至室温，将水热处理后的锌片取出并用超纯水清洗，氮气吹干。
S3、首先配制0.14M十八烷酸的乙醇溶液50ml，将步骤S2制得表面放入配制好的十八烷酸的乙醇溶液2小时，加热至溶液结晶消失，将修饰后的表面取出后用乙醇清洗，氮气吹干，取出制备得超疏水表面。
对制得表面进行微观形貌组成表征得表面氧化锌纳米棒。制得表面接触角照片示于图3，水滴体积为3μL，接触角为150°，具有超疏水特性。对制得表面进行液滴自弹跳效应的测试：将超疏水表面竖直放置在两块过冷铜块之间(～1℃)，使光学显微镜每秒拍摄一张表面冷凝照片，记录时间持续1000s，控制环境相对湿度65±3％，环境温度21±2℃。超疏水表面发生冷凝液滴合并后不发生弹跳，表面上形成的冷凝液滴比较密集，不具有液滴自弹跳效应，测试结果示于图4。
实施例3
本发明提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、将锌片裁剪成100.0mm×10.0mm×0.15mm大小，依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，氮气吹干备用。
S2、配制0.1M硝酸锌的水溶液100mL，在搅拌下逐滴加入氨水使溶液pH值为8.0，混合均匀后转移至垂直放有步骤S1锌片的反应釜中并于60℃加热10小时，待反应釜自然冷却至室温，将水热处理后的锌片取出并用超纯水清洗，氮气吹干。
S3、首先配制0.10M十八烷酸的乙醇溶液50ml，将步骤S2制得表面放入配制好的十八烷酸的乙醇溶液0.5小时，加热至溶液结晶消失，将修饰后的表面取出后用乙醇清洗，氮气吹干，取出制备得超疏水表面。
实施例4
本发明提供一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、将锌片裁剪成100.0mm×10.0mm×0.15mm大小，依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，氮气吹干备用。
S2、配制0.2M硝酸锌的水溶液60mL，在搅拌下逐滴加入氨水使溶液pH值为9.5，混合均匀后转移至垂直放有步骤S1锌片的反应釜中并于100℃加热14小时，待反应釜自然冷却至室温，将水热处理后的锌片取出并用超纯水清洗，氮气吹干。
S3、将步骤S2制得表面垂直放入反应釜中，加入15μL1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷并于180℃加热2小时，反应釜敞开放置0.5小时后于150℃加热1小时，待反应釜自然冷却至室温，取出制备得超疏水表面。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
Claims (5)
1.一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用，其特征在于，包括以下步骤：
S1、金属基体预处理：
将金属基体依次用无水乙醇和超纯水超声清洗后，氮气吹干备用；
S2、在金属基体上构建粗糙表面
配制0.1M-0.2M硝酸锌的水溶液，在搅拌下逐滴加入氨水使溶液pH值为8.0-9.5，混合均匀后转移至放有预处理后金属基体的反应釜中，并于60℃-100℃加热10小时-14小时，待冷却至室温，将金属基体取出并用超纯水清洗，氮气吹干，在金属基体上构建出有一定粗糙度的结构表面；
S3、制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面
在步骤S2所获得的具有一定粗糙度的结构表面修饰低表面能物质，制得具有液滴自弹效应的超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用，其特征在于，步骤S3中，基于超疏水表面表面能5-20mJ·m-2和23-38mJ·m-2的调控，控制超疏水表面液滴自弹跳效应：
表面能为5-20mJ·m-2的含氟低表面能物质采用高温修饰，将步骤S2制得粗糙表面放入反应釜中，加入10-20μL含氟低表面能物质并于100-140℃加热1-3小时，反应釜敞开放置0.25-1小时后于130-180℃加热0.5-2.0小时，制备得具有液滴自弹跳效应的超疏水表面；
表面能为23-38mJ·m-2的长链脂肪酸低表面能物质采用浸泡修饰，将步骤S2制得粗糙表面放入配制的0.1-0.2M的长链脂肪酸物质的乙醇溶液0.5-2.5小时，后加热至溶液结晶消失并将表面取出，用乙醇清洗后氮气吹干，制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面。
3.根据权利要求2所述的一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用，其特征在于，所述含氟低表面能物质具体指1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷。
4.根据权利要求2所述的一种控制液滴自弹跳效应的超疏水表面的制备方法及其应用，其特征在于，所述长链脂肪酸低表面能物质具体指十八烷酸。
5.一种控制超疏水表面液滴自弹跳效应的应用，其特征在于，将权利要求1或2所制得的超疏水表面应用在降雾条件下、大气腐蚀防护、自清洁、冷凝传热、防冰防霜领域中。
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2020
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