CN114107976A - 一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法 - Google Patents

一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法，步骤如下：(1)对不锈钢表面进行清洁，去除其表面的油污；(2)于聚四氟乙烯反应釜中配置一定浓度的碱性介质，将经步骤(1)处理后的不锈钢置于反应釜中，于烘箱中在设定温度下保温一段时间后取出，经水洗、干燥，得到黑色微纳米结构的不锈钢；(3)将步骤(2)制得的不锈钢静置于长链氟硅烷的乙醇溶液中一定时间后，取出加热固化得到黑色超疏水不锈钢。采用本发明方法制备的黑色超疏水不锈钢，颜色持久且均匀，同时具有优良的抗污性能。

Description

一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法
技术领域
本发明属于金属基材表面改性技术领域，具体涉及一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法。
背景技术
黑色不锈钢不仅具有优良的耐蚀性能，良好的力学性能，相比于普通不锈钢，其黑色外观带来高贵、神秘以及含蓄的美学装饰效果，在建筑、艺术，家居等领域应用前景广泛，另外黑色还赋予表面优异的吸光性和吸热性，在太阳能光热吸收转换方面也可得到功能性应用。
黑色不锈钢的传统制备方法主要有化学氧化和电化学氧化法。新兴的技术如溅射法，粒子注入法等，虽然着黑色的质量较高，颜色容易控制，但其设备投资大，成本较高。而传统方法中，化学和电化氧化法作色法相比较，化学氧化着色无需外电源，着色表面显色更均匀，具有更好的可操作性和更稳定的着色性能，应用最为广泛。但是目前主要采用的化学着黑色主要通过含六价铬的氧化液进行氧化处理，六价铬对人体及环境造成危害，虽然采用一些添加剂可以适当降低六价铬用量，但出于环保和安全考虑，亟需开发新的无铬着黑色化学着色工艺。有报道(奚兵，不锈钢着黑色，电镀与精饰，2008，30(12)：20) 在组成为氢氧化钠15％、磷酸钠3％、亚硝酸钠2％、过氧化铅2％、氢氧化铁0.1％、水余量的碱性混合液中于104～108℃对不锈钢进行化学处理，得到黑色不锈钢；或者在含有氢氧化钠13-15％、磷酸三钠3％以及亚硝酸钠5％的着色液中加热实现不锈钢发黑(诸震鸣，不锈钢碱性化学发黑，电镀与环保， 1995，15(1)：32)。可见以上碱性着色配方组成复杂，应用的化学试剂较多，其中涉及的过氧化铅以及亚硝酸钠随废液排放对环境以及生物体都造成一定的毒害性。而本发明采用的水热法，可在只含有氢氧化钠的溶液中进行简单的高压水热化学反应处理，便可得到成色均匀的黑色不锈钢，相比于现有的技术手段具有溶液成分简单、无污染、绿色环保的积极优势。
黑色不锈钢其表面主要成分为金属氧化物，属于高能表面，极易吸附灰尘、水分、油等污染物，影响其长期服役条件下的耐蚀性、光泽性以及美观效果。超疏水表面功能化处理可以赋予表面自清洁性能，抵抗外来污染物和腐蚀介质的吸附和铺展，以长期有效地保持黑色不锈钢的光热转换性能，提高抗腐蚀性，扩大应用场景。
而本方法经过高压水热反应，制备的得到的黑色不锈钢表面的另一特性为具有微观粗糙结构，因此直接进行低表面能氟硅烷的自组装修饰便可以获得黑色超疏水不锈钢，赋予了表面自清洁性能，可长期保持美观特性。
综上所述，本发明通过采用组成简单的氢氧化钠溶液为水热化学着色体系进行着黑色的处理，减少了化学试剂的使用种类，并且不使用对环境有毒害性的试剂，同时得到的黑色表面具有微观粗糙结构，通过简单的氟硅烷分子自组装处理便可以使其表面具有超疏水特性，氟硅烷的厚度在分子级别，对不锈钢颜色没有任何影响，可得到黑色超疏水不锈钢，从而改善了不锈钢表面综合性能，提高了不锈钢碱性着黑色工艺的普适性，并对不锈钢表面进行了功能扩展，具有很好的应用前景。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法。采用本发明的方法，能有效改进不锈钢化学着黑色工艺着色液化学组成复杂，环境污染严重，以及黑色不锈钢成品表面易污染，美学寿命短的缺点。
为实现发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法，包括以下步骤：
(1)对不锈钢表面进行清洁，去除其表面的油污；
(2)将经步骤(1)处理后的不锈钢置于盛装一定浓度碱性介质的聚四氟乙烯反应釜中，将反应釜在在一定温度范围内于烘箱中保温一段时间后取出。经水洗、干燥，得到黑色的不锈钢。
(3)将步骤(2)制得的黑色不锈钢浸泡在长链硅烷溶液中一段时间后取出，然后将黑色不锈钢在120℃固化30min，得到黑色超疏水不锈钢。
根据上述的方法，步骤(1)中所述不锈钢为304不锈钢。
根据上述的方法，步骤(2)中所述的碱性介质为NaOH。
根据上述的方法，优选地，步骤(2)中所述的碱性介质浓度为10～15mol/L。
根据上述的方法，优选地，步骤(2)中所述温度范围为150～210℃。
根据上述的方法，优选地，步骤(2)中采用的保温时间为18～36h。
根据上述的方法，优选地，步骤(3)中浸泡时间为30～60min。
根据上述的方法，优选地，步骤(3)中，所使用的长链硅烷溶液为十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液，浓度为0.05～0.1mol/L。
本发明取得的积极有益效果为：
(1)本发明采用只含有一种化学试剂，即氢氧化钠的溶液对不锈钢进行水热处理即可制得黑色不锈钢，其表面化学成分为铬和铁元素的复合氧化物，表面着色均匀，色彩保持持久。
(2)本发明中化学着色后得到的黑色不锈钢具有较高的微观粗糙度，直接通过简单的后续氟化处理，便可以制备得到超疏水自清洁黑色不锈钢表面。
(3)本发明的制备方法操作简单，无需添加剂，无铬以及其它有毒化学试剂，环保，无污染，对人体无害，易于大规模自动化工业生产。
附图说明
表1实施例1-3制备的黑色超疏水不锈钢表面测得的静态接触角、滚动角
图1为本发明实施例1制备的黑色超疏水不锈钢的静态接触角测试图；
图2为本发明实施例1制备的黑色超疏水不锈钢的滚动角测试图；
图3为本发明实施例1制备的黑色不锈钢表面SEM的照片；
图4为本发明实施例1制备的黑色不锈钢表面测得的XRD衍射图谱。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的原料、化学试剂均为常规市售商品，所用的技术手段为本领域技术人员所公知的常规手段。
实施例1：
一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法，包括以下步骤：
(1)对不锈钢表面进行清洁：将0.27mm厚的304不锈钢剪切为50×20mm 的片条状，然后将不锈钢依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗 30min，去除其表面的油污及杂质。
(2)将经步骤(1)处理后的不锈钢置于装有NaOH溶液的反应釜中。
(3)将步骤(2)中的反应釜置于210℃的烘箱中，保温18h后取出反应釜。打开反应釜后取出不锈钢，用去离子水冲洗掉表面的NaOH。冲洗后的不锈钢，用热风吹干备用。
(4)将步骤(3)中的不锈钢浸泡在0.1mol/L十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中30min。
(5)将步骤(4)中的不锈钢置于120℃的烘箱中加热30min，便可得到黑色超疏水不锈钢成品。
其中，步骤(2)中所述的NaOH浓度为15mol/L，体积为40ml，反应釜的容量为50ml。
本实施例制备得到的黑色超疏水不锈钢表面的静态水接触角为152.4°，测试照片见图1；滚动角为7°，测试照片见图2；表面SEM图见图3；表面XRD衍射分析图见图4。
实施例2：
一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法，包括以下步骤：
(1)对不锈钢表面进行清洁：将0.27mm厚的304不锈钢剪切为50×20mm 的片条状，然后将不锈钢依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，去除其表面的油污，去除其表面的油污及杂质。
(2)将经步骤(1)处理后的不锈钢置于装有NaOH溶液的反应釜中。
(3)将步骤(2)中的反应釜置于150℃的烘箱中，保温36h后取出反应釜，打开反应釜后取出不锈钢，用去离子水冲洗掉表面的NaOH。冲洗后的不锈钢，用热风吹干备用。
(4)将步骤(3)中的不锈钢浸泡在0.05mol/L十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中60min。
(5)将步骤(4)中的不锈钢取出，放入120℃的烘箱中加热30min。便可得到黑色超疏水不锈钢成品，测得表面水接触角为155.8°，水滴滚动角为5°。其中，步骤(2)中所述的NaOH浓度为12.5mol/L，体积为40ml，反应釜的容量为50ml。
实施例3：
一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法，包括以下步骤：
(1)对不锈钢表面进行清洁：将0.27mm厚的304不锈钢剪切为50×20mm 的片条状，然后将不锈钢依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，去除其表面的油污，去除其表面的油污及杂质。
(2)将经步骤(1)处理后的不锈钢置于装有NaOH溶液的反应釜中。
(3)将步骤(2)中的反应釜置于210℃的烘箱中，保温36h后取出反应釜，打开反应釜后取出不锈钢，用去离子水冲洗掉表面的NaOH。冲洗后的不锈钢，用热风吹干备用。
(4)将步骤(3)中的不锈钢浸泡在0.05mol/L十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中60min。
(5)将步骤(4)中的不锈钢取出，放入120℃的烘箱中30min。便可得到黑色超疏水不锈钢成品，测得表面水接触角为150.4°，水滴滚动角为8°。其中，步骤(2)中所述的NaOH浓度为10mol/L，体积为40ml，反应釜的容量为50ml。
表1 实施例1-3制备的彩色超疏水不锈钢表面测得的静态接触角、滚动角
Figure 185589DEST_PATH_GSB0000190568420000061
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于碱性水热反应制备黑色超疏水不锈钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对不锈钢表面进行清洁，去除其表面的油污及杂质；
(2)于聚四氟乙烯反应釜中配置的一定浓度的碱性介质，将经步骤(1)处理后的不锈钢置于反应釜中，于烘箱中在设定温度下保温一段时间后取出。经水洗、干燥，得到黑色微纳米结构的不锈钢。
(3)将步骤(2)制得的不锈钢静置于长链氟硅烷的乙醇溶液中一定时间后，取出于烘箱中加热固化，得到黑色超疏水不锈钢。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述不锈钢为304不锈钢。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的碱性介质为NaOH溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的碱性介质浓度为10～15mol/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述温度范围为150～210℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中采用的保温时间为18～36h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中浸泡时间为30～60min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所使用的长链硅烷溶液为十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液，浓度为0.05～0.1mol/L。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所采用的固化温度为120℃，固化时间为30min。
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