CN114622203A - 一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，包括金属基底材料的初步处理、微米尺度结构表面的构造、在微米尺度结构上构造纳米尺度结构形成微/纳米尺度梯级结构和利用低表面能材料制备仿生超疏水表面等步骤。本发明通过简单的化学刻蚀法和热处理过程构建了微/纳米尺度梯级结构，然后用低表面能材料对其进行改性得到超疏水表面，整个过程不需要复杂的设备和操作流程，工艺简单，有望实现大规模使用；而且本发明制备出的涂层表面不仅表现出自清洁性，同时还具有一定的防冰性能，在‑15℃的低温环境下液滴在仿生超疏水表面上的冻结延迟时间可达到3657.41s。

Description

一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及涂层材料技术领域，尤其涉及一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法。
背景技术
低温环境下，道路、输电线路、船舶甲板、机翼等重要设备表面结冰与积冰会带来一定的经济损失与安全隐患。目前，人们开发了多种除冰与防冰方法主要包括：机械除冰、热融除冰及溶液除冰等传统的除冰方法。机械除冰通常指利用振动、机械力与冰自身的重力达到除冰的效果。而热融除冰和溶液除冰是指采用焦耳热效应或结晶温度远低于水的溶剂加速冰融化。传统的除冰方法易造成设备损害，操作费用较高，并且会造成一定的地表腐蚀而不能大规模使用。
超疏水表面由于具有优异的“拒水性”，大大减少了水滴在材料表面的聚积从而减少表面的积冰可达到防覆冰的效果。随着人们对自然界中超浸润表面的研究发现，“荷叶”表面具有优异的自清洁性能是由于其表面的微/纳米尺度梯级结构。因此，开发具有微/纳米尺度梯级结构的仿生超疏水表面在实际使用过程中具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，采用化学刻蚀法对金属基底材料进行预粗化处理以得到合适的粗糙结构，然后通过低表面能材料对具有微纳米尺度梯级结构的表面进行改性以得到超疏水表面。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取金属基底材料，并对金属基底材料进行初步处理，保证其表面洁净、无杂质；
S2、将处理后的金属基底材料置于刻蚀剂中，在金属基底材料表面构造出微米尺度结构表面；
S3、对表面具有微米尺度结构的金属基底材料进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构；
S4、采用低表面能材料对微/纳米尺度梯级结构表面进行改性，从而得到具有微/纳米尺度梯级结构的超疏水防覆冰涂层。
进一步的，所述步骤S1中，金属基底材料为黄铜或1060铝合金或不锈钢或6061铝合金或纯铜。
进一步的，所述步骤S1中，初步处理包括：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对金属基底材料表面进行打磨、抛光，直至金属基底材料表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的金属基底材料备用。
进一步的，所述步骤S2中，刻蚀剂采用酸溶液，包括氢氟酸溶液和盐酸溶液；具体过程为：先将初步处理后的金属基底材料置于浓度为3-5mol/L的氢氟酸溶液中，刻蚀时间为10-30min；然后再置于浓度为0.1-2mol/L的盐酸溶液中，刻蚀时间为30-80min，以得到微米尺度结构表面。
进一步的，所述步骤S3中，热处理的具体过程为：将微米尺度结构表面置于60-150℃的热水中30-120min，以得到微/纳米尺度梯级结构表面，即微米尺度结构上形成纳米尺度结构。
进一步的，所述步骤S4中，低表面能材料为2～8wt.％的硬脂酸溶液或月桂酸溶液或肉豆蔻酸溶液或棕榈酸溶液；具体过程为：将步骤S3中制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于低表面能材料中0.5～10h进行疏水改性，以得到超疏水防覆冰涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的基于“荷叶”效应的仿生超疏水表面制备方法，通过简单的化学刻蚀法和热处理过程构建了微/纳米尺度梯级结构表面，然后用低表面能材料对其进行改性得到仿生超疏水表面，整个过程不需要复杂的设备和操作流程，工艺简单，有望实现大规模使用。
1、本发明采用的预粗化处理过程，使表面具有仿生微纳米尺度梯级结构。
2、本发明提出的基于“荷叶”效应的仿生超疏水表面制备方法，具有自清洁性和防冰性能。
3、由于具有微/纳米尺度梯级结构，可使得超疏水表面具有一定的化学稳定性。
4、本发明操作工艺简单、成本低、可实现大规模使用。
附图说明
图1为本发明实施例1中材料表面的静态接触角(157.50°±2.30°)示意图；
图2为本发明实施例1中微米尺度结构表面的SEM示意图；
图3为本发明实施例1中二级纳米尺度梯级结构表面的SEM示意图；
图4为本发明实施例1中材料表面在-15℃的液滴冷凝图像示意图；
图5为本发明实施例1中材料表面的自清洁性能示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明所提出的一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取黄铜或1060铝合金或不锈钢或6061铝合金或纯铜等作为基底材料，并对金属基底材料进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对金属基底材料表面进行打磨、抛光，直至金属基底材料表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净，无杂质的金属基底材料备用；
S2、将处理后的金属基底材料置于刻蚀剂中，所述刻蚀剂采用酸溶液，包括氢氟酸溶液和盐酸溶液；具体过程为：先将初步处理后的金属基底材料置于浓度为3-5mol/L的氢氟酸溶液中，刻蚀时间为10-30min；然后再置于浓度为0.1-2mol/L的盐酸溶液中，刻蚀时间为30-80min，以得到微米尺度结构表面；
S3、对表面具有微米尺度结构的金属基底材料进行热处理，使得微米尺度结构上形成纳米尺度结构，以得到微/纳米尺度梯级结构；具体过程为：将微米尺度结构表面置于60-150℃的热水中30-120min，以得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、采用低表面能材料对微/纳米尺度梯级结构表面进行改性，所述低表面能材料为2～8wt.％的硬脂酸溶液或月桂酸溶液或肉豆蔻酸溶液或棕榈酸溶液，具体过程为：将步骤S3中制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于低表面能材料中0.5～10h进行疏水改性，以得到具有微/纳米尺度梯级结构超疏水防覆冰涂层。
实施例1
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的黄铜片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对黄铜片表面进行打磨、抛光，直至黄铜片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的黄铜片备用；
S2、将洁净的黄铜片置于5mol/L的氢氟酸溶中20min，然后置于2mol/L的盐酸溶液中60min，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在黄铜片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中70min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于5wt.％的硬脂酸溶液中120min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例2
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的1060铝合金片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对1060铝合金片表面进行打磨、抛光，直至1060铝合金片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的1060铝合金片备用；
S2、将洁净的1060铝合金片置于4mol/L的氢氟酸溶中20min，然后置于2mol/L的盐酸溶液中70min，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在1060铝合金片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中70min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的硬脂酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例3
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的黄铜片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对黄铜片表面进行打磨、抛光，直至黄铜片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的黄铜片备用；
S2、将洁净的黄铜片置于4mol/L的氢氟酸溶中20min，然后置于2mol/L的盐酸溶液中70min，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在黄铜片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中70min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的月桂酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例4
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的1060铝合金片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对1060铝合金片表面进行打磨、抛光，直至1060铝合金片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的1060铝合金片备用；
S2、将洁净的1060铝合金片置于4mol/L的氢氟酸溶中20min，然后置于2mol/L的盐酸溶液中70min，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在1060铝合金片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中70min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的肉豆蔻酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例5
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的不锈钢片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对不锈钢片表面进行打磨、抛光，直至不锈钢片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的不锈钢片备用；
S2、将洁净的不锈钢片置于4mol/L的氢氟酸溶中20min，然后置于2mol/L的盐酸溶液中70min，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在不锈钢片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中70min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的棕榈酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例6
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的6061铝合金片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对6061铝合金片表面进行打磨、抛光，直至6061铝合金片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的6061铝合金片备用；
S2、将洁净的6061铝合金片置于由1.5mL氢氟酸(3mol/L)、20mL盐酸(0.2mol/L)和7.5mLH2O组成的混合溶液中50min进行刻蚀处理随后用去离子水清洗除去表面杂质，在6061铝合金片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中70min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的硬脂酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例7
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的纯铜片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对纯铜片表面进行打磨、抛光，直至纯铜片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的纯铜片备用；
S2、将洁净的纯铜片置于由1.5mL氢氟酸(3mol/L)、20mL盐酸(0.2mol/L)和7.5mLH2O组成的混合溶液中50min进行刻蚀处理，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在纯铜片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中70min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的硬脂酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例8
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的纯铜片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对纯铜片表面进行打磨、抛光，直至纯铜片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的纯铜片备用；
S2、将洁净的纯铜片置于由1.5mL氢氟酸(3mol/L)、20mL盐酸(0.2mol/L)和7.5mLH2O组成的混合溶液中50min进行刻蚀处理，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在纯铜片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中50min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％5wt.％的月桂酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例9
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的6061铝合金片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对6061铝合金片表面进行打磨、抛光，直至6061铝合金片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的6061铝合金片备用；
S2、将洁净的6061铝合金片置于由1.5mL氢氟酸(3mol/L)、20mL盐酸(0.2mol/L)和7.5mLH2O组成的混合溶液中50min进行刻蚀处理，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在纯铜片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中50min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的肉豆蔻酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
实施例10
一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取规格为30mm×20mm×1mm的不锈钢片作为基底材料，并对其表面进行初步处理：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对不锈钢片表面进行打磨、抛光，直至不锈钢片表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的不锈钢片备用；
S2、将洁净的不锈钢片置于由1.5mL氢氟酸(3mol/L)、20mL盐酸(0.2mol/L)和7.5mLH2O组成的混合溶液中50min进行刻蚀处理，随后用去离子水清洗除去表面杂质，在纯铜片表面构造出微米尺度结构表面；
S3、将步骤S2制得的微米尺度结构表面置于100℃的热水中50min进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构表面；
S4、将步骤S3制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于4wt.％的棕榈酸溶液中210min进行疏水改性，以得到仿生超疏水防覆冰涂层。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、选取金属基底材料，并对金属基底材料进行初步处理，保证其表面洁净、无杂质；
S2、将处理后的金属基底材料置于刻蚀剂中，在金属基底材料表面构造出微米尺度结构表面；
S3、对表面具有微米尺度结构的金属基底材料进行热处理，得到微/纳米尺度梯级结构；
S4、采用低表面能材料对微/纳米尺度梯级结构表面进行改性，从而得到具有微/纳米尺度梯级结构的超疏水防覆冰涂层。
2.根据权利要求1所述的一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，金属基底材料为黄铜或1060铝合金或不锈钢或6061铝合金或纯铜。
3.根据权利要求1所述的一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，初步处理包括：利用砂纸P600、P1000和P1500依次对金属基底材料表面进行打磨、抛光，直至金属基底材料表面没有划痕；然后利用超声波清洗器依次用丙酮、无水乙醇和去离子水溶液洗涤20min除去表面杂质，得到洁净的金属基底材料备用。
4.根据权利要求1所述的一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，刻蚀剂采用酸溶液，包括氢氟酸溶液和盐酸溶液；具体过程为：先将初步处理后的金属基底材料置于浓度为3-5mol/L的氢氟酸溶液中，刻蚀时间为10-30min；然后再置于浓度为0.1-2mol/L的盐酸溶液中，刻蚀时间为30-80min，以得到微米尺度结构表面。
5.根据权利要求1所述的一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，热处理的具体过程为：将具有微米尺度结构的金属基底材料表面置于60-150℃的热水中30-120min，在微米尺度结构上形成纳米尺度结构以得到微/纳米尺度梯级结构表面。
6.根据权利要求1所述的一种仿生自清洁超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，低表面能材料为2～8wt.％的硬脂酸溶液或月桂酸溶液或肉豆蔻酸溶液或棕榈酸溶液；具体过程为：将步骤S3中制备出的微/纳米尺度梯级结构表面浸于低表面能材料中0.5～10h进行疏水改性，以得到超疏水防覆冰涂层。
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