本發(fā)明屬于金屬基體表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面的原位構(gòu)建方法及防冰應(yīng)用。制備的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)促進(jìn)超疏水表面形貌構(gòu)建以及超疏水表面的工業(yè)化應(yīng)用尤其在防冰應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要實(shí)踐意義。

背景技術(shù)：

潤(rùn)濕性是用來衡量疏水材料的重要性質(zhì)之一，無論是在自然界還是在人類生活中都發(fā)揮著巨大作用。潤(rùn)濕性主要是由固體表面的化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)共同決定，通常是用液滴在固體表面的接觸角(包括靜態(tài)接觸角、滾動(dòng)角、前進(jìn)角、后退角等)來表征。一般認(rèn)為，水接觸角θ＜90°的材料表面親水，90°＜θ＜150°的材料表面疏水，而θ＞150°的材料表面定義為超疏水表面。一方面，由于超疏水表面具有優(yōu)異的自清潔性、防腐蝕性、流體減阻、防覆冰以及防水性能，其在日常生活、公共建筑，乃至航空等方面有著廣泛的應(yīng)用；另一方面，作為一種典型的界面現(xiàn)象，表面浸潤(rùn)性在界面化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其它交叉學(xué)科的基礎(chǔ)研究中也有極為重要的研究?jī)r(jià)值，因而超疏水材料的制備已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。

自然界有很多超疏水現(xiàn)象，如荷葉表面、水黽的腿部、蟬和蝴蝶的翅膀等都具有明顯的超疏水特征，在宏觀上這些組織或者器官均表現(xiàn)出水的極難浸潤(rùn)與掛壁，其原因在于它們的表面具有超疏水性的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)。研究表明，材料表面的超疏水特性主要取決于表面自由能及粗糙度，通過表面化學(xué)組成與表面微觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，可實(shí)現(xiàn)超疏水表面的有效制備。因此，當(dāng)前主要是通過低表面自由能修飾劑修飾微觀粗糙結(jié)構(gòu)表面或者在低表面自由能材料基體表面加工微觀粗糙結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超疏水表面的制備。近年來，超疏水表面的制備方法發(fā)展較快，常用的有溶膠-凝膠法、模板法、化學(xué)氣相沉積法、靜電紡絲等，且制備的超疏水表面呈現(xiàn)出較高的超疏水性能，尤其是在滾動(dòng)角調(diào)控方面具有較為深入的研究。然而，當(dāng)前方法制備出的超疏水微結(jié)構(gòu)表面，大多需要較為復(fù)雜的工藝路線，且用到大量化學(xué)試劑和大型設(shè)備來對(duì)基體材料進(jìn)行處理，才能得到疏水效果比較好的結(jié)構(gòu)，另一方面，制備的微結(jié)構(gòu)具有較低的附著力，呈現(xiàn)出較差的性能穩(wěn)定性。因此，開發(fā)出一種較為簡(jiǎn)易的超疏水表面的制備方法顯得尤為重要。

由于超疏水表面微結(jié)構(gòu)與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度低，以及生產(chǎn)成本太高的關(guān)系，限制了超疏水材料真正大量投入實(shí)際應(yīng)用，因此，在已有研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種低成本的分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面的原位構(gòu)建方法對(duì)于超疏水材料表面微觀形貌構(gòu)建以及超疏水材料工業(yè)化應(yīng)用尤其在防冰應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面的原位構(gòu)建方法及應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)材料表面具有優(yōu)異疏水性能的目的。

針對(duì)現(xiàn)有制備超疏水表面的方法，本發(fā)明提供一種新型分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面的原位構(gòu)建方法，包括以下步驟：

一種微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面的原位構(gòu)建方法，包括以下步驟：

1)以純鋁或者鋁合金為基體材料，對(duì)基體材料進(jìn)行預(yù)處理；

2)通過電化學(xué)刻蝕的方法，以nacl溶液為電解液，并調(diào)節(jié)相應(yīng)的工藝參數(shù)，在基體表面構(gòu)建層狀微米級(jí)結(jié)構(gòu)；

3)利用水熱法，在一定濃度的六水合三氯化鋁和三乙醇胺的混合液中，在步驟2)制備出的層狀微米結(jié)構(gòu)表面繼續(xù)刻蝕出具有‘針球’狀結(jié)構(gòu)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，形成微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)表面。

4)利用十七氟硅烷進(jìn)行低能化處理：步驟3)所得具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)表面的試樣置入十七氟硅烷(fas-17)的乙醇溶液中浸漬一定時(shí)間后，隨后在烘箱中熱烘以獲得超疏水表面。

所述的方法，包括：步驟1)中，基體材料預(yù)處理為：采用金相砂紙對(duì)基體進(jìn)行打磨，直至表面沒有明顯劃痕，并依次采用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水依次進(jìn)行超聲清洗并晾干待用。

所述的方法，包括：步驟2)中，利用電化學(xué)刻蝕的方法，以鋁片為陽極，鉑片為陰極，nacl電解液濃度：0.08～0.12mol/l電壓：3～8v刻蝕時(shí)間：1.5～2.5h。

所述的方法，包括：步驟3)中，利用水熱法，以反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，混合液中六水合三氯化鋁的濃度為30～50mmol/l，三乙醇胺濃度為0.5～0.8mol/l，刻蝕溫度為90～120℃，刻蝕時(shí)間為3～6h。

所述的方法，包括：步驟4)中，采用0.8～1.5wt％十七氟硅烷(fas-17)乙醇溶液，將試樣放入該溶液中浸漬15～28h后在120～160℃的烘箱中熱烘1.5～2.5h。

根據(jù)任一所述方法制備的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面的應(yīng)用，應(yīng)用于防冰。

采用本發(fā)明的方法制備的超疏水表面具有以下特點(diǎn)：

1)原位構(gòu)建的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面具有較高的超疏水特性，試樣表面液滴靜態(tài)表觀接觸角均大于155°，滾動(dòng)角均小于5°。

2)制備的超疏水表面具有微米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)又有納米級(jí)的‘針球’分布在這些層狀結(jié)構(gòu)上，使表面存在較高的粗糙度因子。

3)原位構(gòu)建的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其在防冰應(yīng)用領(lǐng)域中。

4)本發(fā)明中工藝所需化學(xué)試劑和反應(yīng)器材很容易獲得，相比于利用傳統(tǒng)方法制得同等粗糙程度的微結(jié)構(gòu)表面所需成本要低很多，同時(shí)，本發(fā)明中具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面的制備方法，工藝周期很短，所需的化學(xué)試劑和反應(yīng)器材不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是一種較為理想的超疏水表面的制備方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中實(shí)施例1的方法所制備的超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)形貌(放大3000倍)；

圖2為本發(fā)明中實(shí)施例1的方法所制備的超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)形貌(放大10000倍)；

圖3為本發(fā)明中實(shí)施例1的方法所制備的超疏水表面的xps能譜；

圖4為本發(fā)明中實(shí)施例1的方法所制備的超疏水表面靜態(tài)液滴光學(xué)圖片。

圖5為本發(fā)明方法流程圖；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本發(fā)明的具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面制備方法如下：

第一步，以純鋁(99.6％)為基體材料，利用線切割將基體材料加工成1mm×15mm×15mm大小，依次采用1～6號(hào)金相砂紙打磨基體材料表面，直至肉眼觀察下沒有劃痕為止，然后在丙酮、無水乙醇及蒸餾水水中超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，利用電化學(xué)刻蝕的方法，以鋁片為陽極，鉑片為陰極，nacl電解液濃度為0.1mol/l，電壓為8v，刻蝕時(shí)間為2.5h，在基體表面得到微米級(jí)結(jié)構(gòu)。

第三步，利用水熱法，以反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，通過將第二步處理后的鋁片置于50mmol/l的六水合氯化鋁和0.75mol/l的三乙醇胺混合溶液中，在100℃刻蝕5h，得到微納米分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

第四步，所用fas-17乙醇溶液溶度為1.5wt％、浸漬時(shí)間為20h、烘箱溫度控制為120℃、熱烘時(shí)間為2h，即可獲得高疏水性能的超疏水表面。

依照上述實(shí)施步驟制備的超疏水表面的微觀形貌照片如附圖1和2所示，樣品表面的xps圖譜如附圖3所示。附圖4為液滴在所制備的具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面的靜態(tài)光學(xué)照片，可以看出液滴呈完整球形，其接觸角為162°達(dá)到了超疏水效果。

實(shí)施例2

本發(fā)明的具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面制備方法如下：

第一步，以純鋁(99.6％)為基體材料，利用線切割將基體材料加工成1mm×15mm×15mm大小，依次采用1～6號(hào)金相砂紙打磨基體材料表面，直至肉眼觀察下沒有劃痕為止，然后在丙酮、無水乙醇及蒸餾水水中超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，利用電化學(xué)刻蝕的方法，以鋁片為陽極，鉑片為陰極，nacl電解液濃度為0.08mol/l，電壓為6v，刻蝕時(shí)間為2.5h，在基體表面得到微米級(jí)結(jié)構(gòu)。

第三步，利用水熱法，以反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，通過將第二步處理后的鋁片置于50mmol/l的六水合三氯化鋁和0.75mol/l的三乙醇胺混合溶液中，在100℃刻蝕5h，得到微納米分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

第四步，所用fas-17乙醇溶液溶度為0.8wt％、浸漬時(shí)間為24h、烘箱溫度控制為140℃、熱烘時(shí)間為2h，即可獲得高疏水性能的超疏水表面。

依照上述實(shí)施步驟制備的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面，其接觸角為160°顯示出較高的超疏水性能。

實(shí)施例3

本發(fā)明的具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面制備方法如下：

第一步，以純鋁(99.6％)為基體材料，利用線切割將基體材料加工成1mm×15mm×15mm大小，依次采用1～6號(hào)金相砂紙打磨基體材料表面，直至肉眼觀察下沒有劃痕為止，然后在丙酮、無水乙醇及蒸餾水水中超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，利用電化學(xué)刻蝕的方法，以鋁片為陽極，鉑片為陰極，nacl電解液濃度為0.12mol/l，電壓為4v，刻蝕時(shí)間為1.5h，在基體表面得到微米級(jí)結(jié)構(gòu)。

第三步，利用水熱法，以反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，通過將第二步處理后的鋁片置于50mmol/l的六水合三氯化鋁和0.75mol/l的三乙醇胺混合溶液中，在100℃刻蝕5h，得到微納米分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

第四步，所用fas-17乙醇溶液溶度為1wt％、浸漬時(shí)間為26h、烘箱溫度控制為140℃、熱烘時(shí)間為2h，即可獲得高疏水性能的超疏水表面。

依照上述實(shí)施步驟制備的超疏水表面，其接觸角為159°。

實(shí)施例4

本發(fā)明的具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面制備方法如下：

第一步，以純鋁(99.6％)為基體材料，利用線切割將基體材料加工成1mm×15mm×15mm大小，依次采用1～6號(hào)金相砂紙打磨基體材料表面，直至肉眼觀察下沒有劃痕為止，然后在丙酮、無水乙醇及蒸餾水水中超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，利用電化學(xué)刻蝕的方法，以鋁片為陽極，鉑片為陰極，nacl電解液濃度為0.1mol/l，電壓為7v，刻蝕時(shí)間為2.5h，在基體表面得到微米級(jí)結(jié)構(gòu)。

第三步，利用水熱法，以反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，通過將第二步處理后的鋁片置于30mmol/l的六水合三氯化鋁和0.5mol/l的三乙醇胺混合溶液中，在90℃刻蝕3h，得到微納米分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

第四步，所用fas-17乙醇溶液溶度為1.2wt％、浸漬時(shí)間為26h、烘箱溫度控制為150℃、熱烘時(shí)間為2h，即可獲得高疏水性能的超疏水表面。

依照上述實(shí)施步驟制備的超疏水表面，其接觸角為157°達(dá)到了超疏水效果。

實(shí)施例5

本發(fā)明的具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面制備方法如下：

第一步，以純鋁(99.6％)為基體材料，利用線切割將基體材料加工成1mm×15mm×15mm大小，依次采用1～6號(hào)金相砂紙打磨基體材料表面，直至肉眼觀察下沒有劃痕為止，然后在丙酮、無水乙醇及蒸餾水水中超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，利用電化學(xué)刻蝕的方法，以鋁片為陽極，鉑片為陰極，nacl電解液濃度為0.1mol/l，電壓為5v，刻蝕時(shí)間為2.5h，在基體表面得到微米級(jí)結(jié)構(gòu)。

第三步，利用水熱法，以反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，通過將第二步處理后的鋁片置于40mmol/l的六水合三氯化鋁和0.6mol/l的三乙醇胺混合溶液中，在100℃刻蝕4h，得到微納米分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

第四步，所用fas-17乙醇溶液溶度為1.4wt％、浸漬時(shí)間為18h、烘箱溫度控制為120℃、熱烘時(shí)間為2.5h，即可獲得高疏水性能的超疏水表面。

依照上述實(shí)施步驟制備的超疏水表面，其接觸角為158°達(dá)到了超疏水效果。

實(shí)施例6

本發(fā)明的具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面制備方法如下：

第一步，以純鋁(99.6％)為基體材料，利用線切割將基體材料加工成1mm×15mm×15mm大小，依次采用1～6號(hào)金相砂紙打磨基體材料表面，直至肉眼觀察下沒有劃痕為止，然后在丙酮、無水乙醇及蒸餾水水中超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，利用電化學(xué)刻蝕的方法，以鋁片為陽極，鉑片為陰極，nacl電解液濃度為0.1mol/l，電壓為5v，刻蝕時(shí)間為2.5h，在基體表面得到微米級(jí)結(jié)構(gòu)。

第三步，利用水熱法，以反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，通過將第二步處理后的鋁片置于50mmol/l的六水合三氯化鋁和0.7mol/l的三乙醇胺混合溶液中，在120℃刻6h，得到微納米分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

第四步，所用fas-17乙醇溶液溶度為1wt％、浸漬時(shí)間為15h、烘箱溫度控制為120℃、熱烘時(shí)間為1.5h，即可獲得高疏水性能的超疏水表面。

依照上述實(shí)施步驟制備的超疏水表面，其接觸角為155°達(dá)到了超疏水效果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。