CN116024624A - 一种金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将不锈钢基体表面进行前处理，使表面平整；(2)利用激光进行加工，在不锈钢基体上得到微纳米凸起与凹槽阵列；(3)清洗与活化处理；(4)将步骤(3)处理好的不锈钢作为阴极，置于包含镍离子的电镀液中，以高纯镍板为阳极，进行电沉积，获得微纳米复合涂层；(5)低表面能物质修饰改性，获得耐磨超疏水涂层；该方法通过将激光加工微纳米结构技术与镀镍结合，得到的超疏水涂层具有良好的超疏水性能和耐磨性能，在100g砝码，2000目SiC水砂纸(其对基体压强约为4.4kPa)摩擦5000mm后接涂层触角仍大于150°。
Description
技术领域
本发明涉及一种超疏水涂层的制备方法，特别涉及一种金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法。
背景技术
近年来超疏水涂层因其具有超疏水、耐腐蚀、抗结冰、自清洁、抗菌等优异性能受到人们的广泛关注。超疏水涂层的制备常常需要微纳米结构的构建，这些结构本身十分脆弱，甚至在受到微小的剪切力时便被破坏，导致涂层超疏水性能丧失，故增强超疏水涂层耐磨性是研究人员急需解决的问题。
研究人员对于耐磨性超疏水涂层制备进行了多种尝试，如中国专利号CN113088160A公布的“一种具有耐磨性的超疏水涂层及其制备方法”，其显著提高了超疏水涂层的耐磨性，但其制备过程繁琐，成本较高，不易大面积推广。再如中国专利号CN112898886A公开的“一种防腐防冰耐磨超疏水涂层及其制备方法”，其通过改性纳米SiO2粒子显著提高了超疏水涂层的耐磨性与耐腐蚀特性，但其通过氟硅烷改性，这种药品对人体以及环境有较大危害，所以也不适宜大面积推广，故寻求一种绿色环保、低成本、高效率、且适宜大面积生产的超疏水涂层仍然是研究人员需要解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种超疏水涂层具有良好的超疏水性能和耐磨性能好的金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法。
技术方案：本发明所述的金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将不锈钢基体表面进行前处理，使表面平整；
(2)将步骤(1)处理好的不锈钢利用激光进行加工，在不锈钢基体上得到微纳米凸起与凹槽阵列；
(3)将步骤(2)处理过的不锈钢样品进行清洗与活化处理；
(4)将步骤(3)处理好的不锈钢作为阴极，置于包含镍离子的电镀液中，以高纯镍板为阳极，进行电沉积，获得微纳米复合涂层；
(5)将步骤(4)获得的微纳米复合涂层进行低表面能物质修饰改性，获得耐磨超疏水涂层。
优选的，所述步骤(1)中，用400#～1500#砂纸对不锈钢表面进行逐级打磨进行前处理。
优选的，步骤(2)中，所述利用激光进行加工的条件为：激光功率为15～40W，频率为15～25kHz，扫描速度为100～1500mm/s，扫描线间距为20～50μm。在对样品进行横向扫描完毕后再进行纵向扫描，扫描过程中保持样品固定，激光光源进行移动，其通过计算机程序进行控制。
优选的，步骤(3)中，所述清洗与活化处理，先采用NaOH溶液浸泡，接着用水冲洗，最后用柠檬酸溶液进行活化。活化过程去除工件表面的氧化层，提高镀层与基体的结合力。
优选的，步骤(4)中，所述电镀液中还包括添加剂硫酸铵和葡萄糖酸钠，硫酸铵硫酸铵作为pH缓冲剂含量为5g～50g/L，葡萄糖酸钠作为晶粒细化剂含量为5g～60g/L。
优选的，步骤(4)中，所述电沉积过程，电镀液温度为50～70℃，电流密度为5～25mA/cm2，电沉积时间为200～2000s。
优选的，步骤(4)中，所述电镀液pH为3～5，其中镍离子含量为20g～60g/L。
优选的，步骤(5)中，所述低表面能物质修饰改性为，在硬脂酸中浸泡，然后放入马弗炉中在50～140℃温度下保温15～45分钟后，空冷至室温。
发明机理：本发明采用激光打标对不锈钢基体进行加工，获得均匀整齐的微纳米凸起与凹槽阵列；接着以镍板为阳极，激光加工的不锈钢基体为阴极，接通电源，使得镍微纳米针锥布满了激光加工过的不锈钢表面，最后通过低表面能物质修饰，即可获得耐磨超疏水涂层。其优异的耐磨性能得益于纳米镍针锥布满激光加工制备的微纳米凸起与凹槽阵列的精巧设计。直接进行激光加工制备的超疏水涂层在磨掉顶层凸起结构后超疏水特性便会丧失，传统的电镀针锥镍也是如此，耐磨稳定性较差。将针锥纳米镍和激光加工的结构复合后，即使顶部发生磨损，其侧部以及底部依然布满针锥镍，具有稳定的微纳米结构，能够持续维持超疏水性能。另外在磨损过程中激光加工的凸起结构和凹槽侧壁也能对针锥镍起到一定的保护作用，涂层耐磨性能够得到保证。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)该方法制备的超疏水涂层具有良好的超疏水性能和耐磨性能，在100g砝码，2000目SiC水砂纸(其对基体压强约为4.4kPa)摩擦5000mm后接涂层触角仍大于150°；(2)涂层与基体具有良好的结合力；(3)该制备方法的涂层成本较低，效率较高，有利于大面积制备。
附图说明
图1为实施例1制备的耐磨超疏水涂层扫描电镜图(左上角度为低倍图，右侧以及底部箭头所指处为放大图)；
图2为实施例1制备的耐磨超疏水涂层与不锈钢金属基体的水接触角对比图(左为金属基体，右为耐磨超疏水涂层)；
图3为实施例1制备的耐磨超疏水涂层在100g砝码，2000目的SiC水砂纸摩擦6000mm的水接触角随摩擦循环次数变化曲线；
图4为实施例1制备的耐磨超疏水涂层在胶带剥离50次后的水接触角变化曲线；
图5为实施例1制备的耐磨超疏水涂层与不锈钢金属基体的自清洁测试对比图(左为金属基体，右为耐磨超疏水涂层)；
图6为实施例1制备耐磨超疏水涂层在质量分数3.5％的氯化钠溶液中浸泡24小时的水接触角变化柱状图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明的金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用400#～1500#砂纸对不锈钢表面进行逐级打磨；
(2)将步骤(1)处理好的不锈钢放置在激光打标样品台上，以激光功率为35W，频率为20kHz，扫描速度为1000mm/s，扫描类型为线型扫描，扫描线间距50μm条件下对样品进行加工，在不锈钢基体上得到微纳米凸起与凹槽阵列；
(3)将步骤(2)得到的含有微纳米凸起与凹槽阵列的不锈钢表面进行碱洗与活化处理，采用质量分数3.5％的NaOH溶液浸泡5分钟进行碱洗处理，接着采用去离子水冲洗，最后用质量分数5％的柠檬酸浸泡10秒，进行活化；
(4)将步骤(3)处理好的不锈钢作为阴极，置于电镀液中，电镀液中镍离子含量为40g/L、由氯化镍提供；添加剂为硫酸铵和葡萄糖酸钠，硫酸铵含量为7g/L、葡萄糖酸钠含量为7g/L，电镀液pH为4，温度为60℃，电流密度为15mA/cm2，电沉积时间为1200s，获得微纳米复合涂层；
(5)将步骤(4)中获得的微纳米复合涂层放入2.84g/L的硬脂酸中浸泡2.5小时，随后放入马弗炉中140℃保温25分钟，最后空冷至室温，即可获得所需耐磨超疏水涂层。
得到的涂层样品外观为黑色，其扫描电镜图如图1所示。其微观结构由微纳米凸起与凹槽阵列组成，从高倍图看出微纳米凸起、凹槽底部和侧壁之上均布满了针状纳米镍，为耐磨超疏水涂层的提供了稳定的微纳米结构。
如图2所示，涂层接触角高达172°，超疏水性能优异，未经处理的不锈钢金属基体接触角仅为50°左右，基体不具有疏水性。
该涂层在100g砝码，2000目SiC水砂纸(其对基体压强约为4.4kPa)摩擦5300mm接触角仍大于150°，摩擦5400mm后接触角小于150°。其接触角随摩擦循环次数(以摩擦200mm为一个循环)变化曲线如图3所示，涂层在27个摩擦循环内接触角均大于150°，涂层的超疏水性能优异，并具有稳定耐磨的超疏水性能。其优异的耐磨性能得益于纳米镍针锥布满激光加工制备的微纳米凸起与凹槽阵列的精巧设计。
疏水涂层用胶带剥离50次的接触角变化曲线如图4所示，涂层在经过50次胶带剥离试验后其涂层水接触角几乎没有下降。
涂层具有较好的自清洁特性，不锈钢金属基体与耐磨超疏水涂层的自清洁对比图如图5所示，金属基体并无疏水性，故水滴会平铺在基体上，粉笔灰会黏附在金属基体上。耐磨超疏水涂层因其优异的超疏水特性，水珠在上面会立即发生滚动带走大量粉笔灰，起到自清洁效果。
涂层在质量分数3.5％的氯化钠溶液中浸泡24小时的水接触角变化柱状图如图6所示，涂层在质量分数3.5％NaCl溶液中浸泡24h后其接触角仍然高达166°，涂层在腐蚀环境中依然具有优异的超疏水特性，说明腐蚀介质难以进入涂层，涂层具有较强的耐腐蚀性能。
实施例2
本发明的金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用400#～1500#砂纸对不锈钢表面进行逐级打磨；
(2)将步骤(1)处理好的不锈钢放置在激光打标样品台上，以激光功率为15W，频率为15kHz，扫描速度为100mm/s，扫描类型为线型扫描，扫描线间距20μm条件下对样品进行加工，在不锈钢基体上得到微纳米凸起与凹槽阵列；
(3)将步骤(2)得到的含有微纳米凸起与凹槽阵列的不锈钢表面进行碱洗与活化处理，采用质量分数3.5％的NaOH溶液浸泡5分钟进行碱洗处理，接着采用去离子水冲洗，最后用质量分数5％的柠檬酸浸泡10秒，进行活化；
(4)将步骤(3)处理好的不锈钢作为阴极，置于电镀液中，电镀液中镍离子含量为20g/L、由氯化镍提供；添加剂为硫酸铵和葡萄糖酸钠，硫酸铵含量为5g/L、葡萄糖酸钠含量为5g/L，电镀液pH为3，温度为50℃，电流密度为5mA/cm2，电沉积时间为2000s，获得微纳米复合涂层；
(5)将步骤(4)中获得的微纳米复合涂层放入2.84g/L的硬脂酸中浸泡2.5小时，随后放入马弗炉中50℃保温45分钟，最后空冷至室温，即可获得所需耐磨超疏水涂层。
得到的样品外观为黑色，该涂层在100g砝码，2000目SiC水砂纸摩擦5000mm接触角仍大于150°，摩擦5100mm后接触角小于150°。
实施例3
本发明的金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用400#～1500#砂纸对不锈钢表面进行逐级打磨；
(2)将步骤(1)处理好的不锈钢放置在激光打标样品台上，以激光功率为40W，频率为25kHz，扫描速度为1500mm/s，扫描类型为线型扫描，扫描线间距50μm条件下对样品进行加工，在不锈钢基体上得到微纳米凸起与凹槽阵列；
(3)将步骤(2)得到的含有微纳米凸起与凹槽阵列的不锈钢表面进行碱洗与活化处理，采用质量分数3.5％的NaOH溶液浸泡5分钟进行碱洗处理，接着采用去离子水冲洗，最后用质量分数5％的柠檬酸浸泡10秒，进行活化；
(4)将步骤(3)处理好的不锈钢作为阴极，置于电镀液中，电镀液中镍离子含量为60g/L、由氯化镍提供；添加剂为硫酸铵和葡萄糖酸钠，硫酸铵含量为50g/L、葡萄糖酸钠含量为60g/L，电镀液pH为5，温度为70℃，电流密度为25mA/cm2，电沉积时间为200s，获得微纳米复合涂层；
(5)将步骤(4)中获得的微纳米复合涂层放入2.84g/L的硬脂酸中浸泡2.5小时，随后放入马弗炉中130℃保温15分钟，最后空冷至室温，即可获得所需耐磨超疏水涂层。
得到的样品外观为黑色，该涂层在100g砝码，2000目SiC水砂纸摩擦5100mm接触角仍大于150°，摩擦5200mm后接触角小于150°。
对比例1
在实施例1的基础上，不进行步骤(2)，其余条件不变。
得到的样品外观为黑色，该涂层在100g砝码，2000目SiC水砂纸摩擦20mm后接触角小于150°。由于直接电沉积得到镍微纳米针锥尺寸较小，稳定性较差，发生磨损时疏水性极易遭到破坏。激光加工与镀镍结合可以提供坚固稳定的微纳米结构，并且激光加工的微纳米结构可以对电沉积制备的纳米结构起到支撑和保护作用。
对比例2
在实施例1的基础上，只进行步骤(1)和步骤(2)，其余条件不变。
得到的样品外观为黄色，该涂层在100g砝码，2000目SiC水砂纸摩擦3400mm后接触角小于150°。直接采用激光加工制备的微纳米结构数目较少，导致超疏水稳定性耐磨性较差。激光加工与镀镍结合可制备均匀稳定的微纳米结构，涂层在磨损时依然具有持续稳定的超疏水特性。
对比例3
在实施例1的基础上，不进行步骤(4)不添加硫酸铵和葡萄糖，其余条件不变。
得到的样品外观为黑色，该涂层在100g砝码，2000目SiC水砂纸摩擦4000mm后接触角小于150°。由于缺少添加剂，镀液pH不稳定，电沉积过程中镀液容易失效，导致镀镍纳米针锥出现团簇等不良，致使超疏水和耐磨性下降，硫酸铵和葡萄糖可以维持镀液的稳定性，保证电沉积稳定进行。
Claims (7)
1.一种金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将不锈钢基体表面进行前处理，使表面平整；
(2)将步骤(1)处理好的不锈钢利用激光进行加工，在不锈钢基体上得到微纳米凸起与凹槽阵列；
(3)将步骤(2)处理过的不锈钢样品进行清洗与活化处理；
(4)将步骤(3)处理好的不锈钢作为阴极，置于包含镍离子的电镀液中，以高纯镍板为阳极，进行电沉积，获得微纳米复合涂层；
(5)将步骤(4)获得的微纳米复合涂层进行低表面能物质修饰改性，获得耐磨超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述利用激光进行加工的条件为：激光功率为15～40W，频率为15～25kHz，扫描速度为100～1500mm/s，扫描线间距为20～50μm。
3.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述电镀液中还包括添加剂硫酸铵和葡萄糖酸钠，硫酸铵含量为5g～50g/L，葡萄糖酸钠含量为5g～60g/L。
4.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述电沉积过程，电镀液温度为50～70℃，电流密度为5～25mA/cm2，电沉积时间为200～2000s。
5.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述电镀液pH为3～5，其中镍离子含量为20g～60g/L。
6.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述清洗与活化处理，先采用NaOH溶液浸泡，接着用水冲洗，最后用柠檬酸溶液进行活化。
7.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述低表面能物质修饰改性方法为：在硬脂酸中浸泡，然后放入马弗炉中在50～140℃温度下保温15～45分钟后，空冷至室温。
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| CN202310016545.0A CN116024624A (zh) | 2023-01-06 | 2023-01-06 | 一种金属表面耐磨超疏水涂层的制备方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116618265A (zh) * | 2023-05-24 | 2023-08-22 | 吉林大学 | 一种金属表面复合凝胶超疏水涂层的制备方法 |
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2023
- 2023-01-06 CN CN202310016545.0A patent/CN116024624A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116618265A (zh) * | 2023-05-24 | 2023-08-22 | 吉林大学 | 一种金属表面复合凝胶超疏水涂层的制备方法 |
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