本發(fā)明涉及超疏水涂層的制備技術(shù)與方法，具體涉及一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法。

背景技術(shù)：

超疏水材料是一種仿生材料，其研究源于人們對(duì)荷葉疏水特性的研究，在研究荷葉表面時(shí)，發(fā)現(xiàn)水滴在荷葉的表面會(huì)迅速滾落而不留痕跡，并且能帶走表面的污物，因此荷葉表面總是保持干凈的狀態(tài)。于是，這種自我清潔功能就被稱為“荷葉效應(yīng)”。近年來(lái)，由于超疏水材料表面特殊的浸潤(rùn)性，已被廣泛應(yīng)用如抗腐蝕、自清潔、減阻、防霧防冰等眾多領(lǐng)域。

一般認(rèn)為超疏水狀態(tài)即材料表面與液滴接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于5°。而要達(dá)到這樣特殊的表面潤(rùn)濕性能則需要滿足兩個(gè)基本條件，其中包括表面微納米復(fù)合的粗糙結(jié)構(gòu)和較低的表面自由能。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的制備超疏水表面的方法有模板法、刻蝕法、電化學(xué)沉積法、自組裝法、靜電紡絲法等。上述方法均有報(bào)道可獲得超疏水表面，但仍存在例如制備過(guò)程復(fù)雜，對(duì)基體局限性較差，工業(yè)應(yīng)用范圍較窄，且表面功能易失效等缺陷。因此，研究一種工業(yè)應(yīng)用適用性廣，涂層性能穩(wěn)定，且制備工藝簡(jiǎn)單的超疏水表面制備方法非常重要。

申請(qǐng)?zhí)?01410519407.5的專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種將疏水氣相sio2和硅橡膠預(yù)聚物混合后的懸浮液噴涂在基體材料表面，再進(jìn)行固化處理從而獲得透明超疏水涂層的方法。

申請(qǐng)?zhí)枮?01410666074.9的專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種利用超音速電弧噴涂方式將金屬絲材融化、霧化、再加速沉積在基體表面形成具有粗糙結(jié)構(gòu)的涂層，再經(jīng)低表面能修飾后高溫固化得到超疏水涂層的方法。

現(xiàn)有多數(shù)制備方法均可獲得接觸角高于150°的超疏水表面，但仍存在著各自的局限性，如上述兩種方式中懸浮液噴涂所得超疏水薄膜以及電弧噴涂所得金屬涂層均存在耐摩擦性能差的缺陷，且金屬涂層表面結(jié)構(gòu)易受腐蝕影響，使得超疏水表面結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性降低，因此，發(fā)展一種能夠大規(guī)模制備且涂層性能穩(wěn)定的超疏水涂層制備方法非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，該方法具有可在多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件基底上大面積的制備超疏水表面，制作工藝簡(jiǎn)單，制備效率高，適合現(xiàn)場(chǎng)施工，成本低等優(yōu)勢(shì)。且本方法制備的疏水表面不僅具有優(yōu)良的疏水性能和自清潔效應(yīng)，而且兼具金屬涂層的韌性和陶瓷涂層耐磨耐腐蝕性能，并具備一定的防覆冰功能。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采取技術(shù)方案是：一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為碳化鎢體系粉末；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物，即可獲得超疏水涂層。

本發(fā)明的基本原理是：首先對(duì)基體表面進(jìn)行常規(guī)預(yù)處理；然后采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系的涂層：超音速火焰噴涂在的燃燒室中利用高壓氧氣與丙烷燃燒產(chǎn)生高速焰流，再經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的噴嘴形成超音速高溫焰流，此焰流加熱加速碳化鎢體系粉末至基體表面，通過(guò)控制超音速火焰噴涂的壓縮空氣壓力、氧氣流量、燃?xì)饬髁?、送粉量以及噴涂距離等參數(shù)在基體表面形成與基體表面具有較高結(jié)合強(qiáng)度的粗糙結(jié)構(gòu)(微納米復(fù)合結(jié)構(gòu))表面；最后在具有粗糙結(jié)構(gòu)的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)即可得到超疏水表面。

本發(fā)明利用超音速電弧噴涂技術(shù)可以在多種基體表面大面積制備粗糙結(jié)構(gòu)表面涂層，然后在粗糙結(jié)構(gòu)涂層表面修飾低表面能物質(zhì)并干燥后形成超疏水表面。具體分析，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

一、超音速火焰噴涂法制備的涂層與基體表面結(jié)合良好，碳化鎢體系粉末在噴涂過(guò)程中堆疊沉積可形成穩(wěn)定的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，極大程度上保證了粗糙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

二、超音速火焰噴涂涂層與表面修飾低表面能物質(zhì)相結(jié)合制備的超疏水涂層，具有優(yōu)良的疏水性能和自清潔效應(yīng)，并具備一定的防覆冰功能。

三、超音速火焰噴涂涂層采用碳化鎢體系的金屬陶瓷納米粉末，所制備涂層兼具金屬涂層的韌性和陶瓷涂層耐磨耐腐蝕性能，在耐腐蝕減阻等工程應(yīng)用上性能表現(xiàn)優(yōu)異。

四、超音速火焰噴涂涂層與表面修飾低表面能物質(zhì)相結(jié)合制備超疏水表面，工藝簡(jiǎn)單，涂層制備效率高，適合現(xiàn)場(chǎng)施工，成本低。

五、超音速火焰噴涂涂層與表面修飾低表面能物質(zhì)相結(jié)合，可在多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件基底上大面積的制備超疏水表面，實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)應(yīng)用。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟a所述的預(yù)處理包括對(duì)基體表面清理和粗化處理。

對(duì)基體表面的清理可去除基體表面污垢和氧化層等物質(zhì)，而粗化處理可以在基體表面構(gòu)造粗糙度，能夠提高步驟b中超音速電弧噴涂涂層與基體的結(jié)合力。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟a所述粗化處理是指對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂處理。

噴砂的粗化處理方式操作簡(jiǎn)單、成本低、效率高，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。優(yōu)選的噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.5-0.8mpa，噴砂時(shí)間20-60秒，噴砂用砂丸目數(shù)20-120目。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟b所述的碳化鎢體系粉末為納米碳化鎢體系粉末。

試驗(yàn)驗(yàn)證，相比于其他尺寸的碳化鎢體系粉末，納米碳化鎢系粉末作為噴涂粉末更有利于在噴涂過(guò)程中堆疊沉積形成微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層，保證噴涂后基體表面粗糙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

更進(jìn)一步，本發(fā)明所述納米碳化鎢體系粉末包括納米wc-12co粉末和納米wc-10co-4cr粉末。

試驗(yàn)驗(yàn)證，納米wc-12co粉末和納米wc-10co-4cr粉末作為噴涂粉末更有利于在噴涂過(guò)程中堆疊沉積形成微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層，保證噴涂后基體表面粗糙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

通過(guò)控制超音速火焰噴涂的壓縮空氣壓力、氧氣流量、燃?xì)饬髁?、送粉量以及噴涂距離等參數(shù)在基體表面獲得具有一定微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。特別是燃?xì)饬髁俊⒀鯕饬髁?、噴涂距離和送粉量是影響粒子溫度和速度的主要工藝參數(shù)，改變這些參數(shù)可影響涂層在基體表面的結(jié)合和鋪展?fàn)顩r，為制備超疏水表面提供合適尺度的微納米結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

本發(fā)明步驟b所述利用超音速火焰噴涂方法制備碳化鎢體系涂層的優(yōu)選工藝參數(shù)為：氧氣流量750～900l/min、煤油流量20～25l/h、送粉量74～85g/min、噴槍移動(dòng)速度1.2～1.8m/s、噴涂距離300～350mm。

試驗(yàn)驗(yàn)證，上述優(yōu)選工藝參數(shù)有利于在噴涂過(guò)程中堆疊沉積形成微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層，保證噴涂后基體表面粗糙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

以納米wc-10co-4cr為噴涂材料時(shí)，超音速火焰噴涂的優(yōu)選噴涂參數(shù)為：氧氣流量900l/min、煤油流量20-23l/h、送粉量78-85g/min、噴槍移動(dòng)速度1.2～1.8m/s、噴涂距離320～350mm。

以納米wc-12co為噴涂材料時(shí)，控制超音速火焰噴涂的優(yōu)選噴涂參數(shù)為：氧氣流量900l/min、煤油流量23-25l/h、送粉量74-78g/min、噴槍移動(dòng)速度1.2～1.8m/s、噴涂距離320～350mm。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：通過(guò)溶液噴涂法在涂層表面修飾疏水納米sio2粉末。

優(yōu)選的具體試驗(yàn)方案是：采用10-20mg/ml的sio2乙醇溶液作低表面能修飾物質(zhì)，其中噴涂參數(shù)為空氣壓縮壓力0.3-0.4mpa、噴涂距離150-250mm、噴涂角度60°-90°、噴涂時(shí)間60-120s，噴涂低表面能物質(zhì)后的干燥溫度為80-120℃，干燥時(shí)間為2-4h即可得到超疏水表面。

疏水納米sio2粉末成本較低，噴涂修飾過(guò)程非常簡(jiǎn)單，效率高，可應(yīng)用于多種工業(yè)零部件，結(jié)合超音速火焰噴涂方法制備的表面疏水性能好，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：通過(guò)電化學(xué)吸附法在涂層表面修飾硬脂酸。

優(yōu)選的具體試驗(yàn)方案是：采用0.01mol/l的硬脂酸乙醇溶液作電解液，試樣作陽(yáng)極，石墨作陰極，工作電壓15-20v，反應(yīng)溫度30-40℃，反應(yīng)時(shí)間20-40min，修飾結(jié)束的試樣在空氣中干燥后清洗干凈即可得到超疏水表面。

采用硬脂酸修飾涂層表面可通過(guò)控制電壓，濃度及反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)改變修飾程度，工作可控性較好，能夠在涂層表面沉積一層均勻的超疏水薄膜。

進(jìn)一步，本發(fā)明所述基體為金屬材料。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一步驟b制備的超音速火焰噴涂涂層表面sem形貌及液滴接觸角。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一步驟c制備的超疏水表面sem形貌及液滴接觸角。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一步驟c制備的超疏水表面的光學(xué)數(shù)碼照片。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例二步驟c制備的超疏水表面的光學(xué)數(shù)碼照片及液滴接觸角。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，基體材料為sma490bw耐候鋼，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：包括對(duì)基體表面清理和粗化處理，所述粗化處理是指噴砂處理，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.7mpa，噴砂用砂丸為80目棕剛玉砂，噴砂時(shí)間40秒；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為納米wc-12co粉末；噴涂工藝參數(shù)為：送粉量74g/min、噴涂距離350mm、氧氣流量900l/min、煤油流量23l/h，噴槍移動(dòng)速度1.5m/s，在基體表面沉積一層280-300μm的涂層，涂層形貌及液滴接觸角如圖1所示；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)，即可獲得超疏水涂層。制備的超疏水涂層接觸角為154±0.6°，圖2為制備的超疏水表面sem形貌及液滴接觸角，圖3為制備的超疏水表面的光學(xué)數(shù)碼照片。

本例中步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：通過(guò)溶液噴涂法在涂層表面修飾疏水納米sio2粉末。采用20mg/ml的sio2乙醇溶液作低表面能修飾物質(zhì)，其中噴涂參數(shù)為空氣壓縮壓力0.4mpa、噴涂距離200mm、噴涂角度75°、噴涂時(shí)間120s，噴涂低表面能物質(zhì)后的干燥溫度為100℃，干燥時(shí)間為2h，隨爐冷卻即可得到超疏水表面。

實(shí)施例二

一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，基體材料為q235鋼，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：包括對(duì)基體表面清理和粗化處理，所述粗化處理是指噴砂處理，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.7mpa，噴砂用砂丸為60目棕剛玉砂，噴砂時(shí)間35秒；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為納米wc-10co-4cr粉末；噴涂工藝參數(shù)為：送粉量82g/min、噴涂距離350mm、氧氣流量900l/min、煤油流量23l/h，噴槍移動(dòng)速度1.5m/s，在基體表面沉積一層280-300μm的涂層；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)，即可獲得超疏水涂層。制備的超疏水涂層接觸角為151±0.2°，圖4為制備的超疏水表面的光學(xué)數(shù)碼照片及液滴接觸角。

本例中步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：采用0.01mol/l的硬脂酸乙醇溶液作電解液，試樣作陽(yáng)極，石墨作陰極，工作電壓20v，反應(yīng)溫度35℃，反應(yīng)時(shí)間35min，修飾結(jié)束的試樣在空氣中干燥后清洗干凈即可得到超疏水表面。

實(shí)施例三

一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，基體為金屬材料，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：包括對(duì)基體表面清理和粗化處理，所述粗化處理是指噴砂處理，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.5mpa，噴砂用砂丸為120目棕剛玉砂，噴砂時(shí)間60秒；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為納米wc-12co粉末；噴涂工藝參數(shù)為：送粉量78g/min、噴涂距離320mm、氧氣流量900l/min、煤油流量25l/h，噴槍移動(dòng)速度1.2m/s；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)，即可獲得超疏水涂層。

本例中步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：采用0.01mol/l的硬脂酸乙醇溶液作電解液，試樣作陽(yáng)極，石墨作陰極，工作電壓17v，反應(yīng)溫度30℃，反應(yīng)時(shí)間40min，修飾結(jié)束的試樣在空氣中干燥后清洗干凈即可得到超疏水表面。

實(shí)施例四

一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，基體為金屬材料，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：包括對(duì)基體表面清理和粗化處理，所述粗化處理是指噴砂處理，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.8mpa，噴砂用砂丸為20目棕剛玉砂，噴砂時(shí)間20秒；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為納米wc-12co粉末；噴涂工藝參數(shù)為：送粉量76g/min、噴涂距離330mm、氧氣流量900l/min、煤油流量24l/h，噴槍移動(dòng)速度1.8m/s；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)，即可獲得超疏水涂層。

本例中步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：通過(guò)溶液噴涂法在涂層表面修飾疏水納米sio2粉末。采用15mg/ml的sio2乙醇溶液作低表面能修飾物質(zhì)，其中噴涂參數(shù)為空氣壓縮壓力0.3mpa、噴涂距離250mm、噴涂角度90°、噴涂時(shí)間60s，噴涂低表面能物質(zhì)后的干燥溫度為80℃，干燥時(shí)間為4h，隨爐冷卻即可得到超疏水表面。

實(shí)施例五

一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，基體為金屬材料，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：包括對(duì)基體表面清理和粗化處理，所述粗化處理是指噴砂處理，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.7mpa，噴砂用砂丸為30目棕剛玉砂，噴砂時(shí)間30秒；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為納米wc-10co-4cr粉末；噴涂工藝參數(shù)為：送粉量78g/min、噴涂距離320mm、氧氣流量900l/min、煤油流量20l/h，噴槍移動(dòng)速度1.2m/s；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)，即可獲得超疏水涂層。

本例中步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：采用0.01mol/l的硬脂酸乙醇溶液作電解液，試樣作陽(yáng)極，石墨作陰極，工作電壓15v，反應(yīng)溫度40℃，反應(yīng)時(shí)間20min，修飾結(jié)束的試樣在空氣中干燥后清洗干凈即可得到超疏水表面。

實(shí)施例六

一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，基體為金屬材料，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：包括對(duì)基體表面清理和粗化處理，所述粗化處理是指噴砂處理，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.7mpa，噴砂用砂丸為40目棕剛玉砂，噴砂時(shí)間40秒；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為納米wc-10co-4cr粉末；噴涂工藝參數(shù)為：送粉量85g/min、噴涂距離330mm、氧氣流量900l/min、煤油流量22l/h，噴槍移動(dòng)速度1.8m/s；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)，即可獲得超疏水涂層。

本例中步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：通過(guò)溶液噴涂法在涂層表面修飾疏水納米sio2粉末。采用10mg/ml的sio2乙醇溶液作低表面能修飾物質(zhì)，其中噴涂參數(shù)為空氣壓縮壓力0.3mpa、噴涂距離150mm、噴涂角度60°、噴涂時(shí)間100s，噴涂低表面能物質(zhì)后的干燥溫度為120℃，干燥時(shí)間為3h，隨爐冷卻即可得到超疏水表面。

實(shí)施例七

一種利用超音速火焰噴涂制備超疏水表面的方法，基體為金屬材料，其步驟如下：

a、對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：包括對(duì)基體表面清理和粗化處理，所述粗化處理是指噴砂處理，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.5mpa，噴砂用砂丸為120目棕剛玉砂，噴砂時(shí)間60秒；

b、采用超音速火焰噴涂方法在預(yù)處理后的基體表面上制備碳化鎢體系涂層，所述噴涂粉末為納米碳化鎢粉末；噴涂工藝參數(shù)為：送粉量78g/min、噴涂距離300mm、氧氣流量750l/min、煤油流量25l/h，噴槍移動(dòng)速度1.2m/s；

c、在步驟b制備的碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)，即可獲得超疏水涂層。

本例中步驟c所述在碳化鎢體系的涂層表面修飾一層低表面能物質(zhì)的具體操作是：采用0.01mol/l的硬脂酸乙醇溶液作電解液，試樣作陽(yáng)極，石墨作陰極，工作電壓17v，反應(yīng)溫度35℃，反應(yīng)時(shí)間40min，修飾結(jié)束的試樣在空氣中干燥后清洗干凈即可得到超疏水表面。