本實(shí)用新型涉及金屬工程材料領(lǐng)域，特別是一種具有自清潔功能的不銹鋼板。

背景技術(shù)：

金屬工程材料遍及我們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，也是超疏水界面材料研究的一個(gè)重點(diǎn)，其中，具有特殊浸潤性的金屬材料具有廣泛的應(yīng)用前景，如表面抗腐蝕、油水分離界面、液體傳輸、微流體裝置等等。通常，在固體表面構(gòu)建超疏水涂層的方法包括溶膠凝膠法、Layer-by-1ayer法、電化學(xué)沉積法、靜電噴涂法等。

不銹鋼板作為工程基礎(chǔ)材料，應(yīng)用于我們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，但由于不銹鋼具有較高的表面自由能，是典型的固有親水性材料，幾乎所有液體都容易在其表面鋪展，并潤濕不銹鋼表面，從而影響其表面的美觀，甚至腐蝕不銹鋼表面，影響其使用性能。所以，不銹鋼超疏水表面的制備通常需要在不銹鋼基體上構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)，并使用低表面能材料(例如各種含氟有機(jī)物)對(duì)粗糙表面進(jìn)行表面化學(xué)修飾以降低不銹鋼材料的表面自由能。

傳統(tǒng)的自清潔產(chǎn)品通常是在產(chǎn)品的表面涂覆一層有機(jī)化學(xué)修飾層，比如，中國專利申請(qǐng)CN102618104A公開了一種抗指紋涂料、抗指紋不銹鋼板及其制備方法，是在不銹鋼板表面涂覆一種抗指紋涂料，使其表面抗污、抗指紋，具有自清潔功能；中國專利申請(qǐng)CN103276393A公開了一種不銹鋼基體表面氮摻雜二氧化鈦多孔薄膜的制備方法，在不銹鋼基體表面氮摻雜二氧化鈦多孔薄膜，以實(shí)現(xiàn)不銹鋼的光催化自清潔和光催化殺菌；中國專利申請(qǐng)CN103862745A公開了一種易清潔抗菌復(fù)合不銹鋼板，在不銹鋼基體兩面熔射一層具有自易清潔能力的納米二氧化鈦涂層，使其具有良好的自清潔功能和抗菌效果。

然而，相對(duì)于不銹鋼表面，有機(jī)化學(xué)層的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性差，在極端惡劣的環(huán)境中容易受到破壞，進(jìn)而造成不銹鋼表面超疏水性的喪失。此外，化學(xué)修飾層還會(huì)影響不銹鋼材料的固有性質(zhì)，比如表面導(dǎo)電性等。

因此，制備沒有任何表面化學(xué)修飾的超疏水不銹鋼表面，特別是自清潔表面，無論是在理論研究方面，還是在實(shí)際應(yīng)用方面，都具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型旨在提供一種沒有任何表面化學(xué)修飾的，具有自清潔表面的不銹鋼金屬板材，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的需要在不銹鋼表面涂布有機(jī)化學(xué)層，從而可能影響不銹鋼固有性質(zhì)的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的具體方案如下：

一種自清潔不銹鋼板，包括不銹鋼基體，所述不銹鋼基體表面具有銅鍍層，所述銅鍍層具有多個(gè)規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)單元，所述結(jié)構(gòu)單元包括一個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)，所述三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)包括微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)、亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)和納米級(jí)晶粒結(jié)構(gòu)；所述微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)的表面具有多個(gè)層狀堆積的亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)，所述亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)的表面具有多個(gè)層狀堆積的納米尺度晶粒結(jié)構(gòu)；所述結(jié)構(gòu)單元還包括分布在銅鍍層底表面的多個(gè)亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)，所述亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)的表面具有多個(gè)層狀堆積的納米尺度晶粒結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述結(jié)構(gòu)單元包括一個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)和分布在銅鍍層底表面的兩個(gè)亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，單個(gè)所述三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的寬度為0.4-1.9μm，高度為1-2.5μm，相鄰兩個(gè)所述三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的間距為1.5-4.5μm。

進(jìn)一步的，所述銅鍍層由以下成分的渡液電鍍而成：硫酸銅200-300 g/L、硝酸銨24-36 g/L、檸檬酸2.5-4 g/L、十六烷基三甲基溴化銨0.6-5 g/L，余量為去離子水。

進(jìn)一步的，所述不銹鋼基體為200系列或300系列不銹鋼板。

其中，本實(shí)用新型銅鍍層中各成分的作用如下：

硫酸銅是電刷鍍鍍液中的主要成分，為電刷鍍沉積過程提供金屬銅離子(Cu²⁺)。

硝酸銨是電刷鍍鍍液中主要的絡(luò)合劑，可以與鍍液中的金屬銅離子(Cu²⁺)結(jié)合形成絡(luò)離子，以降低金屬銅離子(Cu²⁺)的沉積電位，同時(shí)它還能夠提高硫酸銅在去離子水中的溶解度。

檸檬酸是電刷鍍鍍液中金屬銅離子(Cu²⁺)的輔助絡(luò)合劑。

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)是一種陽離子型表面活性劑，它可以輕易地吸附在作為陰極的不銹鋼基體的表面，并且潤濕該不銹鋼基體的表面，從而對(duì)不銹鋼基體表面附近的金屬銅離子(Cu²⁺)產(chǎn)生排斥作用，以此來降低電刷鍍鍍液中金屬銅離子(Cu²⁺)的沉積速率，達(dá)到控制鍍層表面形貌和晶體結(jié)構(gòu)的目的。隨著CTAB濃度的上升，鍍液中銅離子的沉積速率減慢，當(dāng)CTAB濃度為3 g/L時(shí)，本實(shí)用新型電刷鍍制備的銅鍍層的表觀達(dá)到最佳值。

本實(shí)用新型所制得的單個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的寬度為0.4-1.9μm，高度為1-2.5μm，相鄰兩個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的間距為1.5-4.5μm。在本實(shí)用新型的尺寸限定范圍內(nèi)，隨著單個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的寬度、高度增大，本實(shí)用新型所制得的自清潔不銹鋼板表面的潤濕性逐漸由疏水性轉(zhuǎn)化為超疏水。當(dāng)單個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的大小超出本實(shí)用新型的限定范圍時(shí)，不銹鋼板表面的疏水性會(huì)逐漸減弱。

本實(shí)用新型的有益效果在于：本實(shí)用新型采用電鍍層取代傳統(tǒng)的有機(jī)涂層，構(gòu)建了沒有任何表面化學(xué)修飾的自清潔不銹鋼板，從而進(jìn)一步拓展了金屬材料的應(yīng)用范圍，比如腐蝕防護(hù)、微流系統(tǒng)和油水分離等。

本實(shí)用新型的銅鍍層具有獨(dú)特的類荷葉三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)，即微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)、亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)和納米級(jí)晶粒結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)，該三級(jí)結(jié)構(gòu)依次逐級(jí)疊加，以形成本實(shí)用新型銅鍍層。本實(shí)用新型不銹鋼板上銅鍍層的三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)具有自清潔效果，可以使基材具有不易吸附腐蝕性物質(zhì)的特性，從而可以大大提高不銹鋼的綜合使用性能，使本領(lǐng)域的不銹鋼產(chǎn)品多元化，以滿足更多客戶的使用要求，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例2銅鍍層表面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例2電刷鍍?cè)O(shè)備使用示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，所述實(shí)施例的示例旨在用于解釋本實(shí)用新型，而不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。實(shí)施例中未注明具體技術(shù)或條件者，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)所描述的技術(shù)或條件或者按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市購獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

實(shí)施例1：一種自清潔不銹鋼板

本實(shí)施例1提供的自清潔不銹鋼板包括200系列的不銹鋼基體，以及電鍍?cè)谠摬讳P鋼基體表面的銅鍍層，該銅鍍層包括以下成分：硫酸銅（CuSO₄?5H₂O） 200g/L、硝酸銨（NH₄NO₃） 24g/L、檸檬酸（C₆H₈0₇?H₂O） 2.5g/L、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB） 0.6g/L，余量采用去離子水作為溶劑。

參照?qǐng)D2，制備本實(shí)施例1的自清潔不銹鋼板的工藝包括以下步驟：

A. 對(duì)不銹鋼基體1的表面進(jìn)行預(yù)處理：

先用型號(hào)為600#的砂布對(duì)不銹鋼基體1的表面進(jìn)行打磨，以除去不銹鋼基體1表面的氧化層；再用型號(hào)為2000#的砂布對(duì)不銹鋼基體1的表面進(jìn)行拋光，得到平整光滑表面；

用金剛石研磨膏對(duì)上述經(jīng)打磨、拋光處理所制得的不銹鋼基體1進(jìn)行精細(xì)拋光，直至不銹鋼基體1的表面達(dá)到鏡面效果；

用丙酮在超聲波功率為1800W，清洗頻率為28kHz的超聲波清洗池內(nèi)對(duì)上述經(jīng)精細(xì)拋光處理所制得的不銹鋼基體1進(jìn)行清洗，以除去附在不銹鋼基體1表面的油污；

用去離子水除去上述經(jīng)超聲波清洗所制得的不銹鋼基體1表面殘留的丙酮，并迅速吹干。

B． 制備鍍液：

硫酸銅（CuSO₄?5H₂O） 200g/L、硝酸銨（NH₄NO₃） 24g/L、檸檬酸（C₆H₈0₇?H₂O） 2.5g/L、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB） 0.6g/L，余量采用去離子水作為溶劑。

C. 用電刷鍍?cè)O(shè)備制備銅鍍層：

采用電刷鍍?cè)O(shè)備對(duì)步驟A所制得的不銹鋼基體1進(jìn)行鍍層處理，以不銹鋼基體1作為陰極，以鍍筆5作為陽極。設(shè)置電刷鍍工藝參數(shù)為：刷鍍電壓2.5 V、電流密度0.6 Aa/mm2、刷鍍溫度25 ℃；

將步驟B制得的鍍液6通過循環(huán)系統(tǒng)以20 L/min流速從刷鍍槽7中源源不斷地流到作為陰極的不銹鋼基體1表面；

連著鍍筆5的陽極以移動(dòng)速度1.5 m/min、接觸壓力2.5 Kpa，沿著陰極不銹鋼基體1表面做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刷鍍時(shí)間為40 min；

在不銹鋼基體1表面沉積銅鍍層：在給定的刷鍍電壓2.5 V下，刷鍍40 min，鍍液6中的金屬銅離子（Cu²⁺）一層一層地在陰極不銹鋼基體1的表面進(jìn)行沉積。在鍍液6中絡(luò)合劑硝酸銨和表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨的特殊物理化學(xué)反應(yīng)，以及刷鍍陰陽極之間的物理擾動(dòng)下，不銹鋼基體1表面沉積著由許多不規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的銅鍍層，該銅鍍層表面比較平整光滑。

本實(shí)用新型在電刷鍍制備銅鍍層的步驟中，將電刷鍍?cè)O(shè)備的刷鍍電壓設(shè)置為2.5V，這是因?yàn)椋涸谠撍㈠冸妷合?，陰極表面的電流密度分布均勻，鍍液中的銅離子可以自由地?cái)U(kuò)散并均勻地沉積在基體表面上，從而形成了相對(duì)平整的金屬表面。如果改變刷鍍電壓，在較低的刷鍍電壓下，陰極表面的電流密度分布不均勻，會(huì)造成靠近陰極表面的鍍液中銅離子的自由擴(kuò)散受到了一定的限制。由于尖端放電效應(yīng)，局部聚集的銅離子優(yōu)先在基體表面凸起的地方沉積，從而形成了粗糙的金屬表面。而且，隨著刷鍍電壓的升高，銅膜表面微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)的直徑和高度會(huì)逐漸減小，而微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)之間的間距則先減小后增大，所得產(chǎn)品的疏水性也逐漸減弱。因此，本實(shí)施例1限定刷鍍電壓為2.5 V。

本實(shí)用新型在電刷鍍制備銅鍍層的步驟中，將刷鍍時(shí)間確定為40 min，原因在于：本實(shí)用新型構(gòu)成銅鍍層的三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)大小與刷鍍時(shí)間有關(guān)，刷鍍時(shí)間越長，該三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的尺寸越大。隨著三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的寬度、高度增大，所形成的銅鍍層表面的潤濕性會(huì)逐漸由疏水性轉(zhuǎn)化為超疏水；當(dāng)該單個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的寬度為0.4-1.9μm，高度為1-2.5μm時(shí)，本實(shí)用新型所制得的銅鍍層表面的疏水性能達(dá)到最佳；超出該結(jié)構(gòu)大小的限定范圍時(shí)，銅鍍層表面的疏水性會(huì)逐漸減弱。本實(shí)用新型將刷鍍時(shí)間確定為40 min，可形成寬度為0.4-1.9μm，高度為1-2.5μm的三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)，從而形成具有最佳疏水性能的銅鍍層。

D. 獲得成品：

先后用無水乙醇和去離子水反復(fù)沖洗步驟C所制得的銅鍍層；

用高壓氣槍吹干、晾干，制得成品。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

通過觀察，本實(shí)施例1的不銹鋼基體表面具有由許多結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的銅鍍層，但排列不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)單元包括一個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)和分布在銅鍍層底表面的兩個(gè)亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)。

受溶液濃度的影響，本實(shí)施例1構(gòu)成銅鍍層的結(jié)構(gòu)單元的高度較低，因此形成的銅鍍層表面比較平整光滑。

本實(shí)施例1中該三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的尺寸為：寬度約0.4μm，高度約1μm，相鄰兩個(gè)微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)的間距為1.5-4.5μm。

本實(shí)施例1的銅鍍層呈弱疏水性，該銅鍍層表面水滴的靜態(tài)接觸角約為125°。

實(shí)施例2：一種自清潔不銹鋼板

本實(shí)施例2提供的自清潔不銹鋼板包括200系列的不銹鋼基體1，以及電鍍?cè)谠摬讳P鋼基體1表面的銅鍍層，該銅鍍層包括以下成分：硫酸銅（CuSO₄?5H₂O） 260g/L、硝酸銨（NH₄NO₃） 30g/L、檸檬酸（C₆H₈0₇?H₂O） 3g/L、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB） 3g/L，余量采用去離子水作為溶劑。

制備本實(shí)施例2的自清潔不銹鋼板的工藝步驟參照實(shí)施例1，區(qū)別在于，本實(shí)施例2所采用的渡液是：硫酸銅（CuSO₄?5H₂O） 260g/L、硝酸銨（NH₄NO₃） 30g/L、檸檬酸（C₆H₈0₇?H₂O） 3g/L、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB） 3g/L，余量采用去離子水作為溶劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

參照?qǐng)D1，通過觀察，本實(shí)施例2不銹鋼基體1表面形成了均勻分布，且相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，該結(jié)構(gòu)單元的輪廓和邊界清晰可見。該結(jié)構(gòu)單元包括一個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)和分布在銅鍍層底表面的兩個(gè)亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)3。該三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)包括微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)2、亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)3和納米級(jí)晶粒結(jié)構(gòu)4，其中，單個(gè)微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)2具有許多個(gè)層狀堆積的亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)3，該亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)3具有許多個(gè)層狀堆積的納米級(jí)晶粒結(jié)構(gòu)4，從而形成具有許多個(gè)類荷葉三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的銅鍍層。

本實(shí)施例2中，單個(gè)所述三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)大小為：寬度（參照?qǐng)D1中W2）為0.4-1.9μm，高度（參照?qǐng)D1中H）為1-2.5μm，相鄰兩個(gè)所述三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的間距（參照?qǐng)D1中W1）為1.5-4.5μm。

本實(shí)施例2的銅鍍層疏水性能良好，該銅鍍層表面水滴的靜態(tài)接觸角約為150°。

實(shí)施例3：一種自清潔不銹鋼板及其生產(chǎn)工藝

本實(shí)施例3提供的自清潔不銹鋼板包括300系列的不銹鋼基體，以及電鍍?cè)谠摬讳P鋼基體表面的銅鍍層，該銅鍍層包括以下成分：硫酸銅（CuSO₄?5H₂O） 300g/L、硝酸銨（NH₄NO₃） 36g/L、檸檬酸（C₆H₈0₇?H₂O） 4g/L、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB） 5g/L，余量采用去離子水作為溶劑。

制備本實(shí)施例3的自清潔不銹鋼板的工藝步驟參照實(shí)施例1，區(qū)別在于，本實(shí)施例3所采用的渡液是：硫酸銅（CuSO₄?5H₂O） 300g/L、硝酸銨（NH₄NO₃） 36g/L、檸檬酸（C₆H₈0₇?H₂O） 4g/L、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB） 5g/L，余量采用去離子水作為溶劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

通過觀察，本實(shí)施例3的不銹鋼基體表面具有由許多結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的銅鍍層，但排列不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)單元包括一個(gè)三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)和分布在銅鍍層底表面的兩個(gè)亞微米級(jí)凸起結(jié)構(gòu)。

受溶液濃度的影響，本實(shí)施例3構(gòu)成銅鍍層的結(jié)構(gòu)單元的高度較低，因此形成的銅鍍層表面比較平整光滑。

本實(shí)施例3中該三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的尺寸為：寬度約0.4-1.9μm，高度約1-2.5μm，相鄰兩個(gè)微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)的間距為1.5-4.5μm。

本實(shí)施例3的銅鍍層疏水性能優(yōu)于實(shí)施例1，比最佳實(shí)施例的實(shí)施例2稍差，該銅鍍層表面水滴的靜態(tài)接觸角約為130°。

實(shí)施例1-3與對(duì)比例1-3的抗腐蝕檢測(cè)結(jié)果比對(duì)：

對(duì)比例1：選取表面結(jié)構(gòu)未作處理的200系列不銹鋼板，編號(hào)A。

對(duì)比例2：同對(duì)比例1，編號(hào)B。

對(duì)比例3：選取表面結(jié)構(gòu)未作處理的300系列不銹鋼板，編號(hào)C。

分別選取一塊實(shí)施例1-3的不銹鋼板，編號(hào)為A’、B’、C’，在同等條件下，與對(duì)比例1-3的A、B、C不銹鋼板進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，72小時(shí)后，比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果：

A、B、C不銹鋼板的表面出現(xiàn)了明顯的銹點(diǎn)，點(diǎn)蝕面積約為1%；A’、B’、C’表面沒有銹點(diǎn)。

可見，本實(shí)用新型不銹鋼板表面的銅鍍層的三級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)具有自清潔效果，可以使基材具有不易吸附腐蝕性物質(zhì)的特性，從而提高不銹鋼板的綜合使用性能。

盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本實(shí)用新型，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對(duì)本實(shí)用新型做出各種變化，均為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。