一種銅基底上超疏水仿生表面的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及金屬材料表面改性技術(shù)，特別是涉及一種銅基底上超疏水仿生表面的制備方法，目的在于提高銅表面的疏水性能。該方法首先以無水乙醇清洗銅基底為前處理工藝。再將試樣浸入電鍍液中進行電沉積，使試樣表面的形貌特征發(fā)生改變，同時表面含有不同于基體的化學(xué)元素物質(zhì)，并且在銅表面形成微納米尺度雙層分級結(jié)構(gòu)。反應(yīng)完成后，表面形成低表面能薄膜，使具有微納米分級結(jié)構(gòu)的銅基板表面具有超疏水特性，并在不同反應(yīng)條件下分別具有“花瓣效應(yīng)”的粘附性，以及“荷葉效應(yīng)”的自潔性。
【專利說明】一種銅基底上超疏水仿生表面的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料表面改性技術(shù)，特別是涉及銅基體上超疏水仿生表面的制備方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]眾所周知，物競天擇，自然界經(jīng)過億萬年的演變，每種生物均有其獨特的優(yōu)異性能，許多生物表面則形成了天然的超疏水性結(jié)構(gòu)，如荷葉、玫瑰花、水稻葉和水黽腿等。這些天然生物表面具有微納米雙層分級結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分，顯示出卓越的超疏水性，同時具備了自清潔效果及粘附性，也就是著名的“荷葉效應(yīng)”和“花瓣效應(yīng)”。因此，在工程材料設(shè)計和制造方面，這些生物的表面結(jié)構(gòu)常常被用作生物原型。
[0003]近年來，金屬材料疏水性薄膜的制備得到越來越多的關(guān)注。因銅具有較高的導(dǎo)電率，導(dǎo)熱性能，以及良好的機械加工性等優(yōu)異性能，從而成為重要的結(jié)構(gòu)材料，在工業(yè)及日常生活中得到廣泛應(yīng)用，如熱導(dǎo)體、熱交換器、電力線路及海水淡化工程中管道等。因此，改善銅表面性能，制備具有微納米尺度雙層分級結(jié)構(gòu)的超疏水性表面將是一個非常有前景的技術(shù)研究。
[0004]超疏水仿生表面的制備方法比較多，目前國內(nèi)外普遍有電沉積法，化學(xué)蝕刻法，模板法，電化學(xué)法，光刻法，溶膠-凝膠法，層層自組裝法等。電沉積法是通過電化學(xué)途徑在材料表面形成絡(luò)合物鍍層的過程，此方法簡便、快速、成本低廉且易實現(xiàn)。針對在銅基體上制備出具有微納米分級結(jié)構(gòu)的超疏水表面，改善銅基底的表面性能，實現(xiàn)表面高粘附以及自清潔之間進行轉(zhuǎn)換，這是一種新的嘗試，對表面處理技術(shù)的發(fā)展意義重大。
[0005]技術(shù)內(nèi)容:`[0006]本發(fā)明的目的在于提聞表面的疏水性，提供一種銅基體上超疏水仿生表面的制備方法。
[0007]本發(fā)明是仿照荷葉、玫瑰花、水稻和水黽等動植物超疏水性微觀結(jié)構(gòu)的特征，采用電沉積方法，在銅基板上制備具有荷葉、玫瑰花和水稻葉表面的微納米尺度雙層分級結(jié)構(gòu)的仿生超疏水表面，改善了表面性能，使其具有超疏水性、高粘附性及自清潔功能，以期得到更廣泛的應(yīng)用。
[0008]為了達到上述目的，本發(fā)明的設(shè)計法案為:
[0009]一種銅基底上超疏水仿生表面的制備方法，步驟一，前處理工藝:首先以無水乙醇清洗銅基底；
[0010]步驟二，電解:將清洗后的銅基底試樣浸入電鍍液中進行電解，所述電鍍液由氯化鈰和肉豆蘧酸組成，氯化鈰為0.025-0.05mol,肉豆蘧酸為0.05-0.16mol，將氯化鈰和肉豆蘧酸在無水乙醇中攪拌均勻，形成100-300ml溶液，電鍍時間選用5min-24h之間的任意數(shù)值，反應(yīng)完成后，表面形成低表面能薄膜，該薄膜為具有微納米雙層分級結(jié)構(gòu)的銅基板表面具有典型生物的超疏水特性。
[0011]所述試樣表面的形貌特征和生成新物質(zhì)的質(zhì)量受電鍍液的氯化鈰和肉豆蘧酸混合液濃度影響，電鍍液的最優(yōu)濃度為:0.038mol氯化鋪和0.1mol肉豆蘧酸在無水乙醇中攪拌均勻，形成150ml溶液。
[0012]所述試樣表面的形貌特征和生成新物質(zhì)的質(zhì)量還受電鍍時間影響，電鍍時間選5min、10min、20min、30min、40min 或 24h。
[0013]所說的微納米雙層分級結(jié)構(gòu)是由銅表面在電鍍液中發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)，在銅試樣表面形成孔洞結(jié)構(gòu)以及乳突體，即在銅基體上形成微納米多尺度雙層分級結(jié)構(gòu)表面。
[0014]所說的典型生物包括荷葉、玫瑰花瓣和水稻葉等植物。
[0015]有益效果:這種銅基體上超疏水仿生表面具有微納米尺度雙層分級結(jié)構(gòu)，其所得接觸角大于150°，達到超疏水狀態(tài)。在使用工況下，疏水性能明顯增強，并且可以實現(xiàn)表面的高粘附性和自清潔性之間的轉(zhuǎn)換，與簡單的電沉積結(jié)果相比，該發(fā)明有明顯進步。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0016]圖1電沉積表面的SEM圖，電鍍時間分別為:
[0017](a) 5min; (b) IOmin; (c)20min; (d) 40min; (e)24h。
[0018]圖2不同電沉積時間制備出的超疏水表面的水滴狀態(tài)，其中:
[0019](a) IOmin ； (b-d) 30min (水滴分別在 10ms, 60ms 和 I2Oms 時的滾動狀態(tài))。
[0020]圖3不同電沉積時間制得表面的接觸角，電沉積電壓為20V，電鍍時間分別為5min,IOmin, 20min, 30min, 40min, 1440mino
【具體實施方式】:
[0021]本發(fā)明所述的一種銅基底上超疏水仿生表面的制備方法，首先，進行銅基體仿生表面的設(shè)計:
[0022]以天然生物材料為設(shè)計模型，在銅基體上設(shè)計具有天然生物復(fù)合材料微細結(jié)構(gòu)分布的結(jié)構(gòu)特征的表面。
[0023]以銅基體進行超疏水性仿生表面的設(shè)計:
[0024]因銅具有較高的導(dǎo)電率，導(dǎo)熱性能，以及良好的機械加工性等優(yōu)異性能，從而成為重要的結(jié)構(gòu)材料，在工業(yè)及日常生活中得到廣泛應(yīng)用，但因其金屬表面疏水性差，從而很大程度上制約了其在工業(yè)上的應(yīng)用。本發(fā)明可以改善銅表面疏水性，實現(xiàn)高粘附性及自清潔效果。
[0025]銅基體上超疏水仿生表面的制備:以銅為基體，通過電沉積方法進行表面處理，將預(yù)處理后的銅試樣直接浸入到電鍍液中，主要組成是:0.038mol氯化鈰和0.1mol肉豆蘧酸在無水乙醇中攪拌均勻，形成150ml溶液,其電鍍時間分別為5min, IOmin, 20min, 30min,40min, 24h，進行電化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)完成后，在銅基體表面形成具有低表面能的肉豆蘧酸鈰薄膜。觀察表面形貌，可發(fā)現(xiàn)形成了仿生微納米尺度雙層分級結(jié)構(gòu)，并且由于其表面形成了低表面能薄膜，使得銅表面具有了典型的生物超疏水性，并在不同實驗條件下具有典型花瓣效應(yīng)的粘附性和荷葉效應(yīng)的自清潔性。
[0026] 所述電鍍液為:0.038mol氯化鈰和0.1mol肉豆蘧酸在無水乙醇中攪拌均勻，形成150ml溶液。氯化鈰和肉豆蘧酸混合液濃度的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質(zhì)的質(zhì)量，此濃度為電鍍?nèi)芤旱淖顑?yōu)濃度。[0027]所述電鍍時間選5min、10min、20min、30min、40min或24h。銅試樣電鍍時間的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質(zhì)的質(zhì)量。
[0028]所說的微納米雙層分級結(jié)構(gòu)是由銅表面在電鍍液中發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)，在銅試樣表面形成孔洞結(jié)構(gòu)以及乳突體，即在銅基體上形成微納米多尺度雙層分級結(jié)構(gòu)表面。
[0029]所說的典型生物包括荷葉、玫瑰花瓣和水稻葉等植物。
[0030]銅基底上超疏水仿生表面的制備方法按以下步驟進行:
[0031]1、揭示典型生物疏水表面其微觀結(jié)構(gòu)和分布特征規(guī)律。
[0032]2、對銅試樣進行預(yù)處理:將打磨好的銅試樣放置于無水乙醇中進行超聲波清洗IOmin,除去試樣表面的污垢。
[0033]3、電沉積:將清洗后的銅基底浸入電鍍液中進行電沉積，電鍍液主要組成是
0.038mol氯化鋪和0.1mol肉豆蘧酸在無水乙醇中攪拌均勻，形成150ml溶液。本次實驗在室溫下進行，對樣品進行不同時間的電鍍，分別為5min, I Omin, 20min, 30min, 40min及24h,在銅試樣表面形成具有低表面能的肉豆蘧酸鈰薄膜，表面微觀結(jié)構(gòu)為孔洞結(jié)構(gòu)及乳突體，即，在銅基底上形成微納米尺度雙層分`級結(jié)構(gòu)表面，使銅表面具有典型生物的超疏水特性。
【權(quán)利要求】
1.一種銅基底上超疏水仿生表面的制備方法,其特征在于: 步驟一，前處理工藝:首先以無水乙醇清洗銅基底； 步驟二，電解:將清洗后的銅基底試樣浸入電鍍液中進行電解，所述電鍍液由氯化鈰和肉豆蘧酸組成，氯化鈰為0.025-0.05mol,肉豆蘧酸為0.05-0.16mol，將氯化鈰和肉豆蘧酸在無水乙醇中攪拌均勻，形成100-300ml溶液，電鍍時間選用5min-24h之間的任意數(shù)值，反應(yīng)完成后，表面形成低表面能薄膜，該薄膜為具有微納米雙層分級結(jié)構(gòu)的銅基板表面具有典型生物的超疏水特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅基體上超疏水仿生表面的制備方法，其特征在于: 所述試樣表面的形貌特征和生成新物質(zhì)的質(zhì)量受電鍍液的氯化鈰和肉豆蘧酸混合液濃度影響，電鍍液的最優(yōu)濃度為:0.038mol氯化鋪和0.1mol肉豆蘧酸在無水乙醇中攪拌均勻，形成150ml溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅基體上超疏水仿生表面的制備方法，其特征在于: 所述試樣表面的形貌特征和生成新物質(zhì)的質(zhì)量還受電鍍時間影響，電鍍時間選5min、10min、20min、30min、40min 或 24h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅基體上超疏水仿生表面的制備方法，其特征在于: 所說的微納米雙層分級結(jié)構(gòu)是由銅表面在電鍍液中發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)，在銅試樣表面形成孔洞結(jié)構(gòu)以及乳突體，即在銅基體上形成微納米多尺度雙層分級結(jié)構(gòu)表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的一種銅基體上超疏水仿生表面的制備方法，其特征在于: 所說的典型生物包括荷葉、玫瑰花瓣和水稻葉植物。
【文檔編號】C25D11/00GK103451688SQ201310398379
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】劉燕, 李淑一, 張繼佳, 尹曉明, 韓志武, 任露泉 申請人:吉林大學(xué)