CN113564648B - 一步法绿色制备铜基超疏水涂层 - Google Patents

一步法绿色制备铜基超疏水涂层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一步法绿色制备铜基超疏水涂层，包括以下步骤：S1、电极前处理；S2、配置电解液；S3、配置连接改性电解液；S4、电沉积；S5、电沉积后，将样品进行超声清洗、吹干得到铜基超疏水涂层；本发明通过采用绿色电沉积的手段来制备超疏水铜涂层，也就是采用氯化胆碱‑乙二醇离子液体作为电沉积过程中的基础电解液。相比于其他制备超疏水涂层的工艺方法，在离子液体中一次性的电沉积超疏水涂层的技术具有更加绿色、节能的优点，工艺重复性更高，参数更易调节，本发明绿色、环保和相对较低的能耗，并且体系稳定，工艺参数易控制，这些优点符合当前社会发展和绿色制造的需要，具有更好的市场化运用的前景。

Description

一步法绿色制备铜基超疏水涂层
技术领域
本发明涉及表面处理技术领域，具体为一步法绿色制备铜基超疏水涂层。
背景技术
近些年来，由于科学发展与工程应用的需要，超疏水涂层得到了广泛的关注。在自然界中，人们观察到许多动物和植物具有超疏水现象，比如荷叶的表面具有良好的超疏水和自清洁能力，从而达到“出淤泥而不染”。与亲水涂层和疏水涂层相比，超疏水涂层具有接触角大于150°的明显特点，同时，超疏水涂层还具有明显的自清洁、腐蚀防护、抗雾、防冰、流体减阻、生物医药等功能。
在科学研究的发展过程中，制备超疏水涂层的方法越来越多，如阳极氧化、溶液浸泡、静电纺丝、喷涂、磁控溅射、溶胶凝胶法、化学刻蚀和电沉积等等。其中电沉积技术是一项比较成熟和廉价的技术，电沉积就是在电解液中，通过电流的作用，使得金属离子在阴极表面被还原成金属涂层，它具有制备工艺简单、成本低、涂层均匀等优点。对于电沉积超疏水涂层而言，又分为一步法和两步法，其中一步法是指直接在电解液中电沉积出超疏水涂层，相比于两步法而言，一步法具有更加简便、便宜的优点。
电沉积技术的核心在于电解液的选择，大部分人都是在水溶液中电沉积超疏水涂层，虽然在水溶液中电沉积超疏水涂层有着许多优点，比如技术成熟、操作方便、价格便宜等等，但是它的缺点也很明显，如可能会发生水的电解，导致涂层发生氢脆和氢气的产生。还有在水溶液中电沉积超疏水涂层会经常使用H2SO4等强酸来调节pH值，而H2SO4等物质会严重的污染环境，这与如今国家推行的绿色制造相违背。为此，提出一步法绿色制备铜基超疏水涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一步法绿色制备铜基超疏水涂层，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一步法绿色制备铜基超疏水涂层，包括以下步骤：
S1、电极前处理：首先采用砂纸打磨抛光铜片与铜块，接着对铜片与铜块进行超声清洗，随后用去离子水一次冲洗后放入10wt％盐酸溶液中酸洗，最后采用去离子水二次冲刷、干燥；
S2、配置电解液：将氯化胆碱和乙二醇按照1:2的摩尔比进行配比来组成离子液体，在70℃下进行连续的磁力搅拌，直至形成无色透明液体，然后将氯化铜添加到乙二醇和氯化胆碱的混合液中，继续在该温度下进行搅拌，直至获得黄色透明的液体；
S3、配置连接改性电解液：按照2wt％配制硬脂酸-乙醇溶液，混合均匀后，量取一定的硬脂酸-乙醇溶液，加入到S2中黄色透明液体，继续在70℃下搅拌至混合均匀；然后再加入水杨酸，在70℃下搅拌直至形成均匀混合液体；
S4、电沉积：将电极浸入上述电解液后与电源连接，进行恒电流电沉积，以铜片作为可溶性阳极，以铜块作为工作电极，其中工作电极与对电极平行相对；
S5、电沉积后，将样品进行超声清洗、吹干得到铜基超疏水涂层。
优选的：在所述S1中，砂纸打磨抛光时，采用1000#、1500#、2000#SiC砂纸依次打磨，每次打磨时间为1-2min；
超声清洗溶液为丙酮，清洗时间为10-20min，超声波清洗设备的内槽高度为35-40cm，底部单块振板，功率保持在0.3-0.5W/cm2；
放入10wt％盐酸溶液中酸洗的时间为8-12min。
优选的：在所述S2中，氯化铜浓度为0.1mol/L-0.2mol/L。
优选的：在所述S3中，硬脂酸-乙醇溶液添加量为20ml-70ml。
优选的：所述水杨酸添加量为0.01mol/L-0.02mol/L。
优选的：所述S4中，恒电流密度为3-9mA/cm2。
优选的：所述电沉积温度为70℃，电沉积时间为5-20分钟。
优选的：在所述S5中，超声波清洗时间为10-20min，超声波清洗设备的内槽高度为35-40cm，底部单块振板，功率保持在0.3-0.5W/cm2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过采用绿色电沉积的手段来制备超疏水铜涂层，也就是采用氯化胆碱-乙二醇离子液体作为电沉积过程中的基础电解液。相比于其他制备超疏水涂层的工艺方法，在离子液体中一次性的电沉积超疏水涂层的技术具有更加绿色、节能的优点，工艺重复性更高，参数更易调节，本发明绿色、环保和相对较低的能耗，并且体系稳定，工艺参数易控制，这些优点符合当前社会发展和绿色制造的需要，具有更好的市场化运用的前景。
附图说明
图1为本发明实验例1制备铜基超疏水涂层的滚动角图；
图2为本发明实验例2制备铜基超疏水涂层的滚动角图；
图3为本发明实验例3制备铜基超疏水涂层的滚动角图；
图4为本发明制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实验例中的附图，对本发明实验例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实验例仅仅是本发明一部分实验例，而不是全部的实验例。基于本发明中的实验例，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验例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一步法绿色制备铜基超疏水涂层，包括以下步骤：
S1、电极前处理：首先采用砂纸打磨抛光铜片与铜块，接着对铜片与铜块进行超声清洗，随后用去离子水一次冲洗后放入10wt％盐酸溶液中酸洗，最后采用去离子水二次冲刷、干燥；
S2、配置电解液：将氯化胆碱和乙二醇按照1:2的摩尔比进行配比来组成离子液体，在70℃下进行连续的磁力搅拌，直至形成无色透明液体，然后将氯化铜添加到乙二醇和氯化胆碱的混合液中，继续在该温度下进行搅拌，直至获得黄色透明的液体；
S3、配置连接改性电解液：按照2wt％配制硬脂酸-乙醇溶液，混合均匀后，量取一定的硬脂酸-乙醇溶液，加入到S2中黄色透明液体，继续在70℃下搅拌至混合均匀；然后再加入水杨酸，在70℃下搅拌直至形成均匀混合液体；
S4、电沉积：将电极浸入上述电解液后与电源连接，进行恒电流电沉积，以铜片作为可溶性阳极，以铜块作为工作电极，其中工作电极与对电极平行相对；
S5、电沉积后，将样品进行超声清洗、吹干得到铜基超疏水涂层。
本实验例中，具体的：在所述S1中，砂纸打磨抛光时，采用1000#、1500#、2000#SiC砂纸依次打磨，每次打磨时间为1-2min；
超声清洗溶液为丙酮，清洗时间为10-20min，超声波清洗设备的内槽高度为35-40cm，底部单块振板，功率保持在0.3-0.5W/cm2；
放入10wt％盐酸溶液中酸洗的时间为8-12min。
本实验例中，具体的：在所述S2中，氯化铜浓度为0.1mol/L-0.2mol/L。
本实验例中，具体的：在所述S3中，硬脂酸-乙醇溶液添加量为20ml-70ml。
本实验例中，具体的：所述水杨酸添加量为0.01mol/L-0.02mol/L。
本实验例中，具体的：所述S4中，恒电流密度为3-9mA/cm2。
本实验例中，具体的：所述电沉积温度为70℃，电沉积时间为5-20分钟。
本实验例中，具体的：在所述S5中，超声波清洗时间为10-20min，超声波清洗设备的内槽高度为35-40cm，底部单块振板，功率保持在0.3-0.5W/cm2。
实验数据：
本发明还提供了一种基于本发明方法制备铜基超疏水涂层的实验数据，如实验例1-3所示：
实验例1
1)将铜片和铜块用1000#、1500#、2000#SiC砂纸打磨抛光，然后在丙酮中超声清洗，用去离子水冲洗后放入10wt％盐酸溶液中酸洗，以除去金属表面污染物和氧化物。之后用去离子水清洗，干燥。
2)将氯化胆碱(ChCl)和乙二醇(EG)按照1:2的摩尔比进行配比来组成离子液体，在70℃下进行连续的磁力搅拌，直至形成无色透明液体。然后将0.2mol/L氯化铜添加到乙二醇和氯化胆碱的混合液中，继续在该温度下进行搅拌，直至获得黄色透明的液体。
3)按照2wt％配制硬脂酸-乙醇溶液，混合均匀后，量取70ml硬脂酸-乙醇溶液，加入到上述黄色透明液体，继续在70℃下搅拌至混合均匀；然后再加入0.02mol/L水杨酸(C7H6O3)，在70℃下搅拌直至形成均匀混合液体。
4)将电极浸入上述电解液后与电源连接，以铜片作为可溶性阳极，也就是对电极，以铜块作为工作电极，其中工作电极与对电极平行相对，在电沉积温度为70℃、电沉积时间为5min、电源为直流电源且电流密度为9mA/cm2的条件下开始进行电沉积。
5)电沉积后，将样品取出用去离子水超声清洗，吹干。
所得铜基超疏水涂层的滚动角图见图1，可以发现所得涂层的接触角大于150°，表现出超疏水性。
实验例2
1)将铜片和铜块用1000#、1500#、2000#SiC砂纸打磨抛光，然后在丙酮中超声清洗，用去离子水冲洗后放入10wt％盐酸溶液中酸洗，以除去金属表面污染物和氧化物。之后用去离子水清洗，干燥。
2)将氯化胆碱(ChCl)和乙二醇(EG)按照1:2的摩尔比进行配比来组成离子液体，在70℃下进行连续的磁力搅拌，直至形成无色透明液体。然后将0.15mol/L氯化铜添加到乙二醇和氯化胆碱的混合液中，继续在该温度下进行搅拌，直至获得黄色透明的液体。
3)按照2wt％配制硬脂酸-乙醇溶液，混合均匀后，量取45ml硬脂酸-乙醇溶液，加入到上述黄色透明液体，继续在70℃下搅拌至混合均匀；然后再加入0.015mol/L水杨酸(C7H6O3)，在70℃下搅拌直至形成均匀混合液体。
4)将电极浸入上述电解液后与电源连接，以铜片作为可溶性阳极，也就是对电极，以铜块作为工作电极，其中工作电极与对电极平行相对，在电沉积温度为70℃、电沉积时间为12min、电源为直流电源且电流密度为6mA/cm2的条件下开始进行电沉积。
5)电沉积后，将样品取出用去离子水超声清洗，吹干。
所得铜基超疏水涂层的滚动角图见图2，可以发现所得涂层的接触角大于150°，表现出超疏水性。
实验例3
1)将铜片和铜块用1000#、1500#、2000#SiC砂纸打磨抛光，然后在丙酮中超声清洗，用去离子水冲洗后放入10wt％盐酸溶液中酸洗，以除去金属表面污染物和氧化物。之后用去离子水清洗，干燥。
2)将氯化胆碱(ChCl)和乙二醇(EG)按照1:2的摩尔比进行配比来组成离子液体，在70℃下进行连续的磁力搅拌，直至形成无色透明液体。然后将0.1mol/L氯化铜添加到乙二醇和氯化胆碱的混合液中，继续在该温度下进行搅拌，直至获得黄色透明的液体。
3)按照2wt％配制硬脂酸-乙醇溶液，混合均匀后，量取20ml硬脂酸-乙醇溶液，加入到上述黄色透明液体，继续在70℃下搅拌至混合均匀；然后再加入0.01mol/L水杨酸(C7H6O3)，在70℃下搅拌直至形成均匀混合液体。
4)将电极浸入上述电解液后与电源连接，以铜片作为可溶性阳极，也就是对电极，以铜块作为工作电极，其中工作电极与对电极平行相对，在电沉积温度为70℃、电沉积时间为20min、电源为直流电源且电流密度为3mA/cm2的条件下开始进行电沉积。
5)电沉积后，将样品取出用去离子水超声清洗，吹干。
所得铜基超疏水涂层的滚动角图见图3，可以发现所得涂层的接触角大于150°，表现出超疏水性。
工作原理或者结构原理：本发明通过采用绿色电沉积的手段来制备超疏水铜涂层，也就是采用氯化胆碱-乙二醇离子液体作为电沉积过程中的基础电解液。相比于其他制备超疏水涂层的工艺方法，在离子液体中一次性的电沉积超疏水涂层的技术具有更加绿色、节能的优点，工艺重复性更高，参数更易调节，本发明绿色、环保和相对较低的能耗，并且体系稳定，工艺参数易控制，这些优点符合当前社会发展和绿色制造的需要，具有更好的市场化运用的前景。
尽管已经示出和描述了本发明的实验例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实验例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一步法绿色制备铜基超疏水涂层，其特征在于，包括以下步骤：
S1、电极前处理：首先采用砂纸打磨抛光铜片与铜块，接着对铜片与铜块进行超声清洗，随后用去离子水一次冲洗后放入10wt%盐酸溶液中酸洗，最后采用去离子水二次冲刷、干燥；
S2、配置电解液：将氯化胆碱和乙二醇按照1:2的摩尔比进行配比来组成离子液体，在70℃下进行连续的磁力搅拌，直至形成无色透明液体，然后将浓度为0.15mol/L的氯化铜添加到乙二醇和氯化胆碱的混合液中，继续在该温度下进行搅拌，直至获得黄色透明的液体；
S3、配置连接改性电解液：按照2wt%配制硬脂酸-乙醇溶液，混合均匀后，量取一定的硬脂酸-乙醇溶液，加入到S2中黄色透明液体，继续在70℃下搅拌至混合均匀；然后再加入添加量为0.015mol/L的水杨酸，在70℃下搅拌直至形成均匀混合液体；
S4、电沉积：将电极浸入上述电解液后与电源连接，进行电流密度为6mA/cm2恒电流电沉积，以铜片作为可溶性阳极，以铜块作为工作电极，其中工作电极与对电极平行相对；
S5、电沉积后，将样品进行超声清洗、吹干得到铜基超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的一步法绿色制备铜基超疏水涂层，其特征在于：在所述S1中，砂纸打磨抛光时，采用1000#、1500#、2000#SiC砂纸依次打磨，每次打磨时间为1-2min；
超声清洗溶液为丙酮，清洗时间为10-20min，超声波清洗设备的内槽高度为35-40cm，底部单块振板，功率保持在0.3-0.5W/cm2；
放入10wt%盐酸溶液中酸洗的时间为8-12min。
3.根据权利要求1所述的一步法绿色制备铜基超疏水涂层，其特征在于：在所述S3中，硬脂酸-乙醇溶液添加量为20ml-70ml。
4.根据权利要求1所述的一步法绿色制备铜基超疏水涂层，其特征在于：所述电沉积温度为70℃，电沉积时间为5-20分钟。
5.根据权利要求1所述的一步法绿色制备铜基超疏水涂层，其特征在于：在所述S5中，超声波清洗时间为10-20min，超声波清洗设备的内槽高度为35-40cm，底部单块振板，功率保持在0.3-0.5W/cm2。
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