CN1966769A - 仿生超疏水性表面的制备方法 - Google Patents

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刘维民
郭志光
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Abstract

本发明涉及一种仿生超疏水性表面的制备技术，特别涉及一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的仿生的金属铝或者铝合金的超疏水表面。该方法将金属铝或者铝合金进行预氧化过程和化学修饰表面形成仿生超疏水性表面。将纯水、酸或碱液滴加到仿生金属铝及其合金的表面进行接触角测定，接触角均大于150°。

Description

仿生超疏水性表面的制备方法
技术领域
本发明涉及在铝或者铝合金表面上产生一种仿生超疏水性表面，特别涉及一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的制备方法。
背景技术
表面科学研究和薄膜的制备技术已经得到人们的广泛关注，这些研究和技术同时和人们的日常生活密切相关。在物理化学的材料领域研究中，对材料的疏水和亲水性能的研究已经逐渐成熟，关于亲水和疏水材料的专利和产品在上个世纪就出现很多。同时人们发现有些植物，如荷叶、芋头叶和稻草叶等，具有超疏水性能力和自净能力。经研究发现超疏水性植物的结构性质导致了它们的自净能力，这种能力被人们称之为荷叶效应，同时这种效应引起了人们的广泛兴趣。在化学模拟生物体系的研究中，超疏水性表面是近年来比较活跃的领域之一。研究超疏水性表面对深入认识自然界中具有超疏水性植物和设计新的高效纳米薄膜具有重要的作用。同时它在工业生产和人们的日常生活中有着极其广阔的应用前景。例如，它可以用来防雪、防污染、防腐、抗氧化以及防止电流传导和自净等。
超疏水性表面一般是指与水滴的接触角大于150°的表面。接触角是衡量表面疏水性的标准之一。一般说来，如果接触角大于90°，称为疏水表面；反之，称为亲水表面。判断一个表面的疏水效果时，除了考察其静态接触角大小的同时，更要考虑到它的动态过程，一般用滑动角或者滞后角来衡量。滑动角定义为前进接触角与后退接触角之差，滑动角的大小同时代表了一个薄膜表面的滞后程度。一个真正意义上的超疏水表面既要有较大的静态接触角，同时更应该具有较小的滑动角。
同时研究发现，固体表面的润湿性能由其表面的化学组成和微观几何结构决定。具有双层结构(表面上同时具有微米结构和纳米结构)的表面是固体表面超疏水的前提。到目前为止，国内外有许多研究者在这方面许多探索和研究。申请号为：CN0212155.3公开了一种碳纳米纤维的制备方法，特别涉及一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米纤维。该制备方法具有疏水效果好，性能稳定等优点。申请号为：CN1613565A公开了一种超疏水微细结构表面的制备方法，采用湿化学法在玻璃或硅片表面制备出氧化锌结构微细表面，然后采用分子自组装进行表面修饰后可得一种接触角大于150°且接触滞后小于5°的超疏水表面。该制备方法制得的表面具有优良的超疏水和自洁性能。申请号为：CN01120628.4，提供了一种具有超疏水性表面的聚合物纳米纤维束的制备方法，所制得的聚合物纳米纤维束表面不需要任何表面处理即表现为超疏水性。
以上所述的目前常用的方法普遍工艺复杂，成本较高，大都不适合工业化生产，只适用于实验理论研究方面。如何使用简单的易行的方法制备出稳定的超疏水性表面就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于在金属铝或者铝合金表面提供一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的仿生表面的制备方法。
本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性的仿生表面，是通过以下方法制备得到的：
先将铝或者铝合金板置入0.5-1M NaOH溶液中氧化1-2小时；然后把氧化后的铝或者铝合金板用去离子水清洗，除去氧化后铝或者铝合金板表面上多余的NaOH溶液；再在100-120℃大气气氛中干燥氧化后的试样0.8-1小时；最后把全氟壬烷旋涂到干燥好的试样表面进行化学修饰，即可得到仿生超疏水性表面。
我们把纯水、酸或碱滴到所制的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的仿生的铝或者铝合金表面上进行接触角测定，接触角均大于150°。所用的酸为盐酸。所用的碱为氢氧化钠或氨水。所用溶液的pH值为1-14。
仿生表面的制备方法简单，且超疏水性性能稳定，表面的气孔率大于90％。该表面不仅具有超疏水性，而且具有超疏酸、超疏碱的性质。
本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的仿生的铝及其合金表面，在许多方面均有良好的用途：
1、本发明的仿生金属铝及其合金表面具有不粘水、不粘酸和不粘碱的特征，可用于金属铝及其合金表面的防污和防锈。
2、本发明的仿生金属铝及其合金表面可用于水中运输工具或水下潜艇上，可以减小水的阻力，提高行驶速度，减小噪音，和减小摩擦和防止腐蚀。
3、本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱的仿生铝及其合金表面可以用来腐蚀性液体的管道运输，可用于无损失超微量液体的输送。
4、本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱的仿生铝及其合金可以用于微量注射器针尖上，可以完全消除昂贵药品在针尖上的粘附及由此带来的对针尖的污染。
采用本发明的方法制备出的仿生铝及其合金表面，具有以下特点：
1、制备工业简单，原料易得。以金属铝或者铝合金为原料，经过预氧化处理和化学修饰，制备仿生超疏水性表面。
2、所制得的仿生金属铝及其合金超疏水性表面具有微米级结构和纳米级结构共存的双层结构，该表面出现超疏水性，即对水的接触角大于150°。
3、所制得的仿生金属铝及其合金表面具有良好的耐热及耐酸碱腐蚀性，其表面出现超疏酸和超疏碱的性质，即对酸及碱的接触角均大于150°。
4、所制得的仿生金属铝及其合金表面对水溶液的接触角在全pH值范围内均大于150°。
下面结合实施例及附图详述本发明：
附图说明
图1.本发明实施例1的仿生的金属铝及其合金超疏水性表面的扫描电子显微镜照片。
图2.本发明实施例1的水滴在仿生金属铝及其合金表面上的静态接触角照片。
图3.本发明实施例1的不同pH值的溶液在仿生铝及其合金的超疏水性表面的静态接触角测量结果。
具体实施方式
实施例1
1、用超声波清洗仪清洗铝及其合金试样，清洗步骤为：1)把铝及其合金试样放入丙酮中用超声波清洗30min，以脱去试样上的油脂，2)再把清洗好的试样放入5wt％HCl溶液中处理10min，以除去试样上的氧化层，3)然后用去离子水清洗5min，4)最后在真空干燥箱中50℃下干燥30min后待用；
2、把处理好的铝及其合金试样置入1M NaOH溶液中氧化2h；氧化后的铝及其合金试样用去离子水清洗，以除去氧化后试样表面上多余的NaOH溶液，再在120℃大气气氛中干燥氧化后的试样1h；
3、把全氟壬烷滴加到干燥好的试样表面进行化学修饰，再用吹风机吹干，即可得到仿生超疏水性表面。
该仿生超疏水性表面的扫描电子显微镜照片如附图1所示，水滴在该仿生超疏水性表面上的静态接触角照片如附图2所示，不同pH值的溶液在该表面上的静态接触角测定结果如附图3所示。
该仿生的金属铝及其合金的超疏水性表面的孔隙率大于90％；水滴在其表面上的静态接触角分别为168±2°和161±2°；
实施例2
1、用超声波清洗仪清洗铝及其合金试样，清洗步骤为：1)把铝及其合金试样放入丙酮中用超声波清洗30min，以脱去试样上的油脂，2)再把清洗好的试样放入5wt％HCl溶液中处理10min，以除去试样上的氧化层，3)然后用去离子水清洗5min，4)最后在真空干燥箱中50℃下干燥30min后待用；
2、把处理好的铝及其合金试样置入0.5M NaOH溶液中氧化2h；氧化后的铝及其合金试样用去离子水清洗，以除去氧化后试样表面上多余的NaOH溶液，再在100℃大气气氛中干燥氧化后的试样1h；
3、把全氟壬烷滴加到干燥好的试样表面进行化学修饰，在干燥箱中100℃在空气中干燥氧化后的试样1h，即可得到仿生超疏水性表面。
该仿生的金属铝及其合金的超疏水性表面的孔隙率约为80％；水滴在其表面上的静态接触角分别为154±2°和150±2°。

Claims (1)

1、一种仿生超疏水性表面的制备方法，其特征在于该方法先将铝或者铝合金板置入0.5-1M NaOH溶液中氧化1-2小时；然后把氧化后的铝或者铝合金板用去离子水清洗，除去氧化后铝或者铝合金板表面上多余的NaOH溶液；再在100-120℃大气气氛中干燥氧化后的试样0.8-1小时；最后把全氟壬烷旋涂到干燥好的试样表面进行化学修饰，即可得到仿生超疏水性表面。
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