CN113478033B - 基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法 - Google Patents

基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法 Download PDF

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Abstract

基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，属于微纳结构功能表面制备技术领域，本发明从形貌结构对黏附性的影响出发，固‑液‑气三相接触线、实际接触面积两个角度对不锈钢表面的微结构进行设计。梯度阵列的柱体结构由于各层柱体存在梯度落差，而使液滴在表面上形成不连续的三相线，加之梯度坡面存在的势能从而形成梯度效应。在电火花线切割过程中，在微结构表面上分布着大量的微/纳米级的突起和凹坑结构。这些广泛分布在表面上的微小结构使表面形成微‑纳米复合结构，使表面形貌更加粗糙化，从而液滴与表面之间形成“点接触”，一定程度上降低了介稳态间的能垒，从而降低了液滴在表面上的滚动所需的动能。

Description

基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法
技术领域
本发明属于微纳结构功能表面制备技术领域，特别是涉及到一种在锈钢基体上制备对多种液体表面低粘附的超疏液表面的方法。
背景技术
在过去的几十年里，超疏水表面的研究已经取得许多优异的成果。在超疏水表面的特性当中，黏附性作为决定液滴在表面的动态行为的重要因素，无论是在基础研究还是实际应用都显得尤为重要。具有特殊黏附性的超疏水性表面在自清洁、防雪防雾、防腐减阻、无损失液体搬运等方面都表现出了极为诱人的应用前景。但是目前关于黏附性功能表面的研究上，仍处于初期的发展阶段。
而在材料方面，不锈钢材质由于其复杂的特性，在超疏表面的特性功能应用上一直进展比较缓慢。由于不锈钢具有良好的耐高温性能和优异的机械性能，广泛应用在食品、医疗、建筑等行业。目前，不锈钢表面上实现超疏和低粘的加工方法主要包括电化学过程、溶胶-凝胶、纳秒/飞秒激光辐照等，这些方法很多都避免不了昂贵的设备、复杂的过程、有毒性的试剂，对基材有一定的要求且都有一定的破坏性。这在满足行业需求方面受到了部分限制。因此需要一种简单，通用的制造方法。电火花线切割机床(WEDM)作为常见基本加工手段之一，在实际批量加工上具有极大的优势。
自清洁表面是指表面的粉尘或者污染物能够在风、雨等外力冲洗后，能够自动被带走保持表面的清洁。通常我们说描述的自清洁表面是指滚动角(SA)小于10°的功能表面。低滚动角、高接触角的特性对自清洁表面来说是很理想的。粗糙度和自由能是影响表面疏水性能的关键因素。目前低黏附特性的主要实现方法是通过两步实现：首先通过物理或化学方法在表面上构建微/纳米结构的粗糙表面，然后通过表面化学改性降低表面能。目前许多公开的发明技术中都需要多种有毒性的化学试剂如氟硅烷等修饰才能实现超疏水低粘附的功能，容易造成污染，且危害人体健康而限制了这一类功能表面的应用。
因此，现有技术中亟需一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，解决现有的低粘附表面需要化学物质修饰、环境污染、工艺复杂、不易推广等问题；实现在不锈钢表面上制备一种简单、无污染的低粘附表面。
基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、基于梯度效应获取待加工梯度结构，根据设计的梯度结构绘制线切割走线图纸；
步骤二、将步骤一的图纸导入电火花切割加工系统，进行两次电火花线切割；
第一次电火花线切割，在水平装夹的不锈钢基体的表面上，加工出具有对应梯度的沟槽表面；
第二次电火花线切割，调正夹具角度并完成对刀，将沟槽表面切割成梯度分布的柱体阵列结构；
步骤三、经所述步骤二两次电火花线切割加工完成的表面采用超声波清洗仪清洗，去除表面油污和杂质。
所述步骤一中梯度结构的设计原则为，
两柱体间落差Δ＝(W+D)tanθ≤59.85μm，
其中W为两柱体间距，D为顶端正方形平面尺寸，θ为梯度柱体结构的梯度范围；
柱体设计密度在16％～33.28％范围内。
所述步骤二中的不锈钢基体为316L、304型10mm以上厚度的不锈钢板材或棒料。
所述步骤二中电火花线切割采用瓦尔卡特HA400U型线切割机床，加工参数为，钼丝直径为0.18mm，脉宽为24μs，间隔比为10，电流为3A，丝速为4。
所述步骤二中第二次电火花线切割的对刀过程包括以下步骤，
步骤一、将第一次切割的表面旋转90°使加工沟槽的沟槽方向与切割丝垂直；
步骤二、调整夹具对应第一次切割出的角度，使加工平面与切割丝处于平行位置；
步骤三、将切割丝与加工平面进行对刀，使切割丝与平面贴合，即为第二刀初始点位置。
所述步骤三超声波清洗采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗7分钟。
所述梯度柱体结构的梯度范围θ为4°～6°，两次切割走线柱体高H为200μm～300μm，柱体顶端正方形平面尺寸D为200μm～270μm，两柱体间距W为180μm～300μm。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，解决现有的低粘附表面需要化学物质修饰、环境污染、工艺复杂、不易推广等问题。从形貌结构对黏附性的影响出发，固-液-气三相接触线、实际接触面积两个角度对不锈钢表面的微结构进行设计。梯度阵列的柱体结构由于各层柱体存在梯度落差，而使液滴在表面上形成不连续的三相线，加之梯度坡面存在的势能从而形成梯度效应。另外，在电火花线切割过程中，在微结构表面上分布着大量的微/纳米级的突起和凹坑结构。这些广泛分布在表面上的微小结构使表面形成微-纳米复合结构，使表面形貌更加粗糙化，从而液滴与表面之间形成“点接触”，一定程度上降低了介稳态间的能垒，从而降低了液滴在表面上的滚动所需的动能。实现在不锈钢表面上制备一种简单、无污染的低粘附表面。
具体的，本发明基于低粘附原理出发进行设计，使用常见电火花设备加工实用性强，无需复杂的处理工艺，且不需要额外化学试剂修饰，在不锈钢基体上制备微结构实现多种液体低粘附、超疏水的功能。
本发明制备方法简单，无需以往方法的超声清洗、抛光等预前处理，极大简化了当前超疏水表面加工方法的复杂工艺，实际应用推广性强。
本发明制备方法得到的功能表面具有良好的疏水性和低粘附效应。对牛奶、果汁、咖啡、蜂蜜等生活饮品类液体均能实现滚动角在10°以内的低粘附滚动效果。
自清洁试验表现优异，将水滴在表面上可将表面上的粉尘携带滚落。残留在微结构底部的饮品类液体可通过水流冲射，简单完成清洁。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法在不锈钢基体上的低粘附梯度阵列结构示意图。
图2为本发明基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法第一次切割几何特征示意图。
图3为本发明基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法第二次切割几何特征示意图。
图4为本发明基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法不锈钢基体上获得的多液相低粘附表面的滚动过程的电镜图。
具体实施方式
基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，包括以下步骤，
步骤一、基于梯度效应设计和实际应用需求，设计计算出所需的梯度结构。设计原则：两柱体间落差Δ＝(W+D)tanθ≤59.85μm，其中，所述梯度柱体结构的梯度范围θ为4°～6°，两次切割走线柱体高H为200～300μm，柱体顶端正方形平面尺寸D为200μm～270μm，两柱体间距W为180～300μm；柱体设计密度在16％～33.28％范围内。并根据设计结构绘制出电火花线切割走线图纸。
步骤二、导入图纸，分两次进行电火花线切割加工。
第一次电火花线切割：在水平装夹的不锈钢基体的表面上，加工出具有对应梯度的沟槽表面；
第二次电火花线切割：调正夹具角度并完成对刀，将沟槽表面切割成梯度分布的柱体阵列结构。
其对刀过程：第一步，将第一次切割的表面旋转90°使加工沟槽的沟槽方向与切割丝垂直。第二步，调整夹具对应第一次切割出的角度，使加工平面与切割丝处于平行位置。第三步，将切割丝与加工平面进行对刀，使切割丝与平面贴合，即为第二刀初始点位置。
步骤三、加工完成的表面使用超声波清洗仪中清洗，去除表面油污和杂质。
具体的，以加工如图1所示不锈钢表面为例，首先确定结构尺寸参数梯度θ为4°，柱体高H为250μm，顶端正方形平面尺寸D为250μm，两柱体间距W为220μm。
根据尺寸绘制出图2和图3所示的两次切割所需的走线图纸。导入图2所示图纸，将切割丝定位于第一次进丝点位置，图2右侧为进丝点，输入加工参数开始进行切割。第一次切割出4度的沟槽表面，完成后开始进行对刀：将表面旋转90°使加工沟槽的沟槽方向与切割丝垂直。随后调整夹具对应第一次切割出的角度，使加工平面与切割丝处于平行位置。将切割丝与加工平面进行对刀，使切割丝与平面贴合，确定为第二刀初始点位置。完成上述对刀过程后，导入图3图纸，加工参数不变，开始进行第二刀切割，随即完成柱体的梯度阵列结构。电火花线切割加工完成后，将工件依次使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗7分钟，去除表面油污和杂质。
如图4所示，通过本发明方法制备的不锈钢基体上获得的多液相低粘附表面上的液滴滚动过程实拍图。对牛奶、果汁、咖啡、蜂蜜等生活饮品类液体均能实现滚动角在10°以内的低粘附滚动效果。

Claims (5)

1.基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、基于梯度效应获取待加工梯度结构，根据设计的梯度结构绘制线切割走线图纸；
步骤二、将步骤一的图纸导入电火花切割加工系统，进行两次电火花线切割；
第一次电火花线切割，在水平装夹的不锈钢基体的表面上，加工出具有对应梯度的沟槽表面；
第二次电火花线切割，调正夹具角度并完成对刀，将沟槽表面切割成梯度分布的柱体阵列结构；
步骤三、经所述步骤二两次电火花线切割加工完成的表面采用超声波清洗仪清洗，去除表面油污和杂质。
所述步骤一中梯度结构的设计原则为，
两柱体间落差Δ＝(W+D)tanθ≤59.85μm，
其中W为两柱体间距，D为顶端正方形平面尺寸，θ为梯度柱体结构的梯度范围；
柱体设计密度在16％～33.28％范围内；
所述梯度柱体结构的梯度范围θ为4°～6°，两次切割走线柱体高H为200μm～300μm，柱体顶端正方形平面尺寸D为200μm～270μm，两柱体间距W为180μm～300μm。
2.根据权利要求1所述的基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，其特征是：所述步骤二中的不锈钢基体为316L、304型10mm以上厚度的不锈钢板材或棒料。
3.根据权利要求1所述的基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，其特征是：所述步骤二中电火花线切割采用瓦尔卡特HA400U型线切割机床，加工参数为，钼丝直径为0.18mm，脉宽为24μs，间隔比为10，电流为3A，丝速为4。
4.根据权利要求1所述的基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，其特征是：所述步骤二中第二次电火花线切割的对刀过程包括以下步骤，
步骤一、将第一次切割的表面旋转90°使加工沟槽的沟槽方向与切割丝垂直；
步骤二、调整夹具对应第一次切割出的角度，使加工平面与切割丝处于平行位置；
步骤三、将切割丝与加工平面进行对刀，使切割丝与平面贴合，即为第二刀初始点位置。
5.根据权利要求1所述的基于梯度效应多液相低粘自洁不锈钢表面制备方法，其特征是：所述步骤三超声波清洗采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗7分钟。
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