CN113667969A - 一种调控金属表面润湿性的复合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料表面处理技术领域，尤其是一种调控金属表面润湿性的复合方法，现提出如下方案，其包括对金属基体的表面进行加工得到表面具有凹凸不平的沟槽结构的第一基体，再对第一基体进行氧化处理得到第二基体，利用疏水修饰剂对第二基体进行修饰改性。本发明提出了一种模板模压的处理方式，利用机械压印和化学侵蚀复合工艺方法调控金属表面微结构和润湿性，通过在金属基片表面压印微结构以改善其表面粗糙度；再经氧化和修饰改性可调控压印铜板表面的润湿性能，这种方法制备的铜板，润滑性和力学性能等得到显著提升，同时其制备方法简单，易实现规模化制备。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面处理领域，尤其是一种调控金属表面润湿性的复合方法。
背景技术
人类生产生活中，表面润湿性(浸润性)具有重要意义，当液体在表面的接触角接近0°(超亲水)或者大于150°(超疏水)时，这种表面被称为超浸润表面，疏水与超疏水表面在防水、防冰、防雾、自清洁及液滴导向等领域具有广阔的应用价值，如何制备疏水甚至超疏水表面是当前一大研究热点，研究表明，表面润湿性能除了受其化学组成影响外，更取决于其微观结构，然而，针对表面微观结构进行优化设计，以获得性能良好的超疏液表面来满足生产/生活需求，不仅缺乏设计依据，还往往难以达到预期效果；
金属超疏水基体在自洁、抗侵蚀、减阻减摩、防结垢等研究领域中具有重要性和工业应用的巨大前景，而纯铜在工业、生活中有着举足轻重的地位，所以，采用一定材料对其进行超疏水化，使其能够抗腐，从而达到长久应用，目前在金属材料表面制备疏水性和超疏水性表面的方法主要包括软光刻、喷涂和等离子处理等，然而，这些方法制备的疏水表面微结构形状可控性差，这在很大程度上限制了表面微结构形状尺寸与其疏水性能的相关性量化研究，为此，本发明提出了一种调控金属表面润湿性的复合方法。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种调控金属表面润湿性的复合方法。
本发明提出了一种模板模压的处理方式，利用机械压印和化学侵蚀复合工艺方法调控金属表面微结构和润湿性，通过在金属基片表面压印微结构以改善其表面粗糙度；再经氧化和修饰改性可调控压印铜板表面的润湿性能，这种方法制备的铜板，润滑性和力学性能等得到显著提升，同时其制备方法简单，易实现规模化制备。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种调控金属表面润湿性的复合方法，包括对金属基体的表面进行加工得到表面具有凹凸不平的沟槽结构的第一基体，再对第一基体进行氧化处理得到第二基体，利用疏水修饰剂对第二基体进行修饰改性。
进一步地，所述疏水修饰剂的组成包括硬脂酸、聚硅氧烷、氟碳聚合物、有机硅树脂中的至少一种。
进一步地，采用模压机压印金属基体，使得金属表面产生凹凸不平的“十”字沟槽结构。
进一步地，所述氧化处理包括如下步骤：将第一基体放入碱性溶液中浸泡1-10min。
进一步地，所述碱性溶液包括氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液，所述混合溶液中氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔比为(10～50)：1。
进一步地，所述修饰改性包括如下步骤：将第二基体放置在(0.5wt％)～(3wt％)硬脂酸溶液中浸泡，所述硬脂酸溶液的溶剂包括无水乙醇、乙酸乙酯。
进一步地，所述浸泡的时间为10-60min。
进一步地，所述硬脂酸溶液的温度为40℃。
进一步地，所述第二基体浸泡完成后，对第二基体进行清洗，清洗后利用氮气吹干第二基体。
一种金属基体，所述金属基体具有超浸润表面，所述金属基体是由包括上述方法制备得到的。
上述一种金属基体在散热装置中的应用。
本发明的有益效果：
1、本发明采用模压机压印紫铜表面对其进行织构化处理，使表面产生凹凸不平的十字沟槽结构，提高整个表面的粗糙度，增大基体的表面积；
2、本发明对压印铜片氧化处理，活化、清洁其表面并修饰氧基团，使亲水性显著提高。在恒定的水浴条件下氧化铜片，对基体表面进行清洁与活化，同时氧化处理过程中O原子、氧基团键合在铜片表面，提高基体表面对水的解离和吸附能力，使其具有超亲水性能；
3、本发明对亲水铜片修饰改性，用低表面能有机物作为疏水修饰剂，使疏水性显著提高，并降低摩擦的方法，简单易行，便于大规模制备，修饰改性后的铜片基于其超疏水性能和摩擦性能可在自清洁、防电化学腐蚀和润滑抗粘附领域有重要应用。
附图说明
图1为本发明的铜板表面模压后三维成像示意图；
图2为本发明的实施例中铜板基体的水接触角示意图，
其中，a、e、i分别为基体铜板原始、经氧化处理和修饰改性后的静态水接触角；
b、f、j分别为铜板表面经80目不锈钢网模压、氧化处理和修饰改性后的静态水接触角；
c、g、k分别为铜板表面经200目不锈钢网模压、氧化处理和修饰改性后的静态水接触角；
d、h、l分别为铜板表面经300目不锈钢网模压、氧化处理和修饰改性后的静态水接触角；
图3为本发明点线图对应于图1中各图的接触角数值；
图4为铜板表面原始、经80目不锈钢网模压后氧化处理和修饰改性的摩擦系数对比图；
图5为本发明的铜板表面原始、经200目不锈钢网模压后氧化处理和修饰改性的摩擦系数对比图；
图6为本发明的铜板表面原始、经300目不锈钢网模压后氧化处理和修饰改性的摩擦系数对比图；
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。
一种调控金属表面润湿性的复合方法，包括对金属基体的表面进行加工得到表面具有凹凸不平的沟槽结构的第一基体，再对第一基体进行氧化处理得到第二基体，利用疏水修饰剂对第二基体进行修饰改性；
所述疏水修饰剂的组成包括硬脂酸、聚硅氧烷、氟碳聚合物、有机硅树脂中的至少一种。
在一些场景下，可以采用模压机压印金属基体，使得金属表面产生凹凸不平的“十”字沟槽结构；
所述氧化处理包括如下步骤：将第一基体放入碱性溶液中浸泡1-10min；
所述碱性溶液包括氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液，所述混合溶液中氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔比为(10～50)：1；
所述修饰改性包括如下步骤：将第二基体放置在(0.5wt％)～(3wt％)硬脂酸溶液中浸泡，所述硬脂酸溶液的溶剂包括无水乙醇或乙酸乙酯。
所述浸泡的时间为10-60min，所述硬脂酸溶液的温度为40℃；
所述第二基体浸泡完成后，对第二基体进行清洗，清洗后利用氮气吹干第二基体；
一种金属基体，所述金属基体具有超浸润表面，所述金属基体是由包括上述方法制备得到的。
上述一种金属基体在散热装置中的应用。
下面将对本发明所提供的方法进行举例：
实施例一：
本发明利用化学改性调控微结构金属表面润湿性的方法，该方法采用模压80目的304不锈钢网，使T2紫铜表面形成一种沟槽微结构；之后将T2紫铜浸泡在恒定温度的碱性溶液中氧化以获得超亲水性能，再浸泡在恒定温度的低表面能溶液中修饰以获得超疏水性能，并提高其表面润滑性。
包括以下步骤：
准备厚度为1mm，型号为T2紫铜板和目数为80目的304不锈钢网，机械裁剪成尺寸大小为30×30mm的紫铜片和不锈钢网片。
1、将裁剪的紫铜片经1500目砂纸打磨后，依次浸泡在去离子水、无水乙醇溶液中，放在超声清洗机中50℃下超声清洗紫铜片和不锈钢网片各9片20分钟。取出后用电吹风对其进行冷风吹干，使表面无水渍残留。
2、将清洗过的T2紫铜板放入模压机的模压腔室中，然后放入清洗过的80目的304不锈钢网置于铜板正上方紧密贴合，放下丝杠直至旋紧固定住压片磨具，顺时针拧紧模压机放油阀，摇动手杆机械加压至40MPa，加压时间15s；
模压处理完后，逆时针松开放油阀释放压力，松开丝杠，取出模压样品放入培养皿，备用。
3、配制碱性氧化溶液：首先用量筒称取80ml的去离子水，倒入一个100ml的烧杯中，然后将烧杯置于27℃水浴条件下。
用分析天平称取氢氧化钠颗粒2.4g，一边搅拌一边缓慢加入到该烧杯中，加入磁性转子继续搅拌直至溶解，得到氢氧化钠溶液；用分析天平称取过硫酸铵颗粒0.34g，一边搅拌一边缓慢加入到该烧杯中，继续搅拌直至溶解，得到碱性混合溶液。最后将去离子水缓慢滴加到该混合溶液中，定容至100ml，搅拌得到0.6mol/L氢氧化钠和0.015mol/L过硫酸铵的混合溶液，氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔比为40:1。
4、将步骤2)已经模压处理过的紫铜片垂直浸入步骤3)制备的碱性溶液中氧化处理，处理时间6min；浸泡完成取出铜片，用去离子水冲洗2-3次，用吹风机冷风吹干，记为亲水铜片A；
5、配制低表面能溶液：首先分析天平称取49g的无水乙醇，倒入一个100ml的烧杯中，然后将烧杯置于27℃水浴条件下；再用分析天平称取硬脂酸颗粒1g，缓慢加入到该烧杯中，控制硬脂酸的质量分数为2wt％。设置水浴目标温度为40℃，将该溶液以10℃/min的加热速率加热至40℃，并加入磁性转子搅拌至硬脂酸颗粒溶解。
6、将步骤4)中铜片A垂直浸入步骤5)的溶液中修饰改性，处理时间为30分钟；浸泡完成取出铜片，用无水乙醇冲洗2-3次，用吹风机冷风吹干，记为疏水铜片B。
实施例二：
本发明利用化学改性调控微结构金属表面润湿性的方法，该方法采用模压200目的304不锈钢网，使T2紫铜表面形成一种沟槽微结构；之后将T2紫铜浸泡在恒定温度的碱性溶液中氧化以获得超亲水性能，再浸泡在恒定温度的低表面能溶液中修饰以获得超疏水性能，并提高其表面润滑性。
包括以下步骤：
准备厚度为1mm，型号为T2紫铜板和目数为200目的304不锈钢网，机械裁剪成尺寸大小为30×30mm的紫铜片和不锈钢网片。
1、将裁剪的紫铜片经1500目砂纸打磨后，依次浸泡在去离子水、无水乙醇溶液中，放在超声清洗机中50℃下超声清洗紫铜片和不锈钢网片各9片20分钟。取出后用电吹风对其进行冷风吹干，使表面无水渍残留。
2、将清洗过的T2紫铜板放入模压机的模压腔室中，然后放入清洗过的200目的304不锈钢网置于铜板正上方紧密贴合，放下丝杠直至旋紧固定住压片磨具，顺时针拧紧模压机放油阀，摇动手杆机械加压至40MPa，加压时间15s。
模压处理完后，逆时针松开放油阀释放压力，松开丝杠，取出模压样品放入培养皿，备用。
3、配制碱性氧化溶液：首先用量筒称取80ml的去离子水，倒入一个100ml的烧杯中，然后将烧杯置于27℃水浴条件下。用分析天平称取氢氧化钠颗粒2.4g，一边搅拌一边缓慢加入到该烧杯中，加入磁性转子继续搅拌直至溶解，得到氢氧化钠溶液；用分析天平称取过硫酸铵颗粒0.34g，一边搅拌一边缓慢加入到该烧杯中，继续搅拌直至溶解，得到碱性混合溶液。最后将去离子水缓慢滴加到该混合溶液中，定容至100ml，搅拌得到0.6mol/L氢氧化钠和0.015mol/L过硫酸铵的混合溶液，氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔比为40:1。
4、将步骤2)已经模压处理过的紫铜片垂直浸入步骤3)制备的碱性溶液中氧化处理，处理时间6min；浸泡完成取出铜片，用去离子水冲洗2-3次，用吹风机冷风吹干，记为亲水铜片A；
5、配制低表面能溶液：首先分析天平称取49g的无水乙醇，倒入一个100ml的烧杯中，然后将烧杯置于27℃水浴条件下；再用分析天平称取硬脂酸颗粒1g，缓慢加入到该烧杯中，控制硬脂酸的质量分数为2wt％；
设置水浴目标温度为40℃，将该溶液以10℃/min的加热速率加热至40℃，并加入磁性转子搅拌至硬脂酸颗粒溶解。
6、将步骤4)中铜片A垂直浸入步骤5)的溶液中修饰改性，处理时间为30分钟；浸泡完成取出铜片，用无水乙醇冲洗2-3次，用吹风机冷风吹干，记为疏水铜片B。
实施例三：
本发明利用化学改性调控微结构金属表面润湿性的方法，该方法采用模压300目的304不锈钢网，使T2紫铜表面形成一种沟槽微结构；之后将T2紫铜浸泡在恒定温度的碱性溶液中氧化以获得超亲水性能，再浸泡在恒定温度的低表面能溶液中修饰以获得超疏水性能，并提高其表面润滑性。
包括以下步骤：
准备厚度为1mm，型号为T2紫铜板和目数为300目的304不锈钢网，机械裁剪成尺寸大小为30×30mm的紫铜片和不锈钢网片。
1、将裁剪的紫铜片经1500目砂纸打磨后，依次浸泡在去离子水、无水乙醇溶液中，放在超声清洗机中50℃下超声清洗紫铜片和不锈钢网片各9片20分钟；
取出后用电吹风对其进行冷风吹干，使表面无水渍残留。
2、将清洗过的T2紫铜板放入模压机的模压腔室中，然后放入清洗过的300目的304不锈钢网置于铜板正上方紧密贴合，放下丝杠直至旋紧固定住压片磨具，顺时针拧紧模压机放油阀，摇动手杆机械加压至40MPa，加压时间15s；
模压处理完后，逆时针松开放油阀释放压力，松开丝杠，取出模压样品放入培养皿，备用。
3、配制碱性氧化溶液：首先用量筒称取80ml的去离子水，倒入一个100ml的烧杯中，然后将烧杯置于27℃水浴条件下。用分析天平称取氢氧化钠颗粒2.4g，一边搅拌一边缓慢加入到该烧杯中，加入磁性转子继续搅拌直至溶解，得到氢氧化钠溶液；用分析天平称取过硫酸铵颗粒0.34g，一边搅拌一边缓慢加入到该烧杯中，继续搅拌直至溶解，得到碱性混合溶液。最后将去离子水缓慢滴加到该混合溶液中，定容至100ml，搅拌得到0.6mol/L氢氧化钠和0.015mol/L过硫酸铵的混合溶液，氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔比为40:1。
4、将步骤2)已经模压处理过的紫铜片垂直浸入步骤3)制备的碱性溶液中氧化处理，处理时间6min；浸泡完成取出铜片，用去离子水冲洗2-3次，用吹风机冷风吹干，记为亲水铜片A；
5、配制低表面能溶液：首先分析天平称取49g的无水乙醇，倒入一个100ml的烧杯中，然后将烧杯置于27℃水浴条件下；再用分析天平称取硬脂酸颗粒1g，缓慢加入到该烧杯中，控制硬脂酸的质量分数为2wt％；
设置水浴目标温度为40℃，将该溶液以10℃/min的加热速率加热至40℃，并加入磁性转子搅拌至硬脂酸颗粒溶解。
6、将步骤4)中铜片A垂直浸入步骤5)的溶液中修饰改性，处理时间为30分钟；浸泡完成取出铜片，用无水乙醇冲洗2-3次，用吹风机冷风吹干，记为疏水铜片B。
本发明通过机械模压后，使得铜板在化学改性前表面形成一种凹凸不平的沟槽微结构，由图1可以看出，所获得的微结构均匀，尺寸可控；一方面有助于氧化处理之后有效提高基体金属的亲水润湿性能并形成氧化层，由图2和3可以看到，仅氧化处理的不同微结构表面逐渐表现为亲水性，再进一步修饰改性后，可使得原来的亲水表面转变成疏水表面，且不同目数的表面微结构的亲疏水性存在一定的差异，因此，利用该方法可使基体金属实现亲疏水性的调控；另一方面，通过对基体表面的亲水性修饰，可为进一步提高修饰膜与基体之间的结合性，且疏水性的表面有利于摩擦系数的降低，而不同微结构导致的疏水性差异，使其表面存在摩擦系数的不同，见图4-6所示，因此，该方法有助于调控修饰改性后基体表面的超疏水、润滑抗粘附性能，并降低其表面摩擦。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于：包括对金属基体的表面进行加工得到表面具有凹凸不平的沟槽结构的第一基体，再对第一基体进行氧化处理得到第二基体，利用疏水修饰剂对第二基体进行修饰改性。
2.根据权利要求1所述的一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于，所述疏水修饰剂的组成包括硬脂酸、聚硅氧烷、氟碳聚合物、有机硅树脂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于，采用模压机压印金属基体，使得金属表面产生凹凸不平的“十”字沟槽结构。
4.根据权利要求1所述的一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于，所述氧化处理包括如下步骤：将第一基体放入碱性溶液中浸泡1-10min。
5.根据权利要求4所述的一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液，所述混合溶液中氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔比为(10～50)：1。
6.根据权利要求2所述的一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于，所述修饰改性包括如下步骤：将第二基体放置在(0.5wt％)～(3wt％)硬脂酸溶液中浸泡，所述硬脂酸溶液的溶剂包括无水乙醇或乙酸乙酯。
7.根据权利要求6所述的一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于，所述浸泡的时间为10-60min，所述硬脂酸溶液的温度为40℃。
8.根据权利要求6所述的一种调控金属表面润湿性的复合方法，其特征在于，所述第二基体浸泡完成后，对第二基体进行清洗，清洗后利用氮气吹干第二基体。
9.一种金属基体，所述金属基体具有超浸润表面，其特征在于，所述金属基体是由包括如权利要求1-8任一权利要求所述的方法制备得到的。
10.如权利要求9所述的一种金属基体在自清洁材料、防电化学腐蚀材料和润滑抗粘附材料中的应用。
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