[發(fā)明專利]一種鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面及其構(gòu)建方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710600074.2
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107377334A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶杰;謝月涵;沈一洲;王冠宇;金明明
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B05D5/08
• 分類號: B05D5/08;B05D3/10;C25F3/04;C23F1/14
• 代理公司: 北京恒創(chuàng)益佳知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11556
• 代理人: 宋華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬基體表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面及其構(gòu)建方法。制備的鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面穩(wěn)定性較高，對促進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用尤其是在防冰領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的實(shí)踐意義。

背景技術(shù)

受“荷葉效應(yīng)”和“玫瑰花效應(yīng)”的啟發(fā)，仿生超疏水表面引起了研究者們極大的關(guān)注。超疏水表面通常是指材料表面對水的靜態(tài)接觸角大于150°，同時(shí)滾動(dòng)角小于10°。這些具有超疏水特性的表面，因其具有優(yōu)異的自清潔性、防腐蝕性、防覆冰以及防水性能，在日常生活中和工業(yè)界(如防垢、采油、紡織、潤滑、防水和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域)有著極其重要的應(yīng)用前景。

研究表明，材料表面的疏水特性主要取決于表面粗糙度及表面自由能，通過調(diào)控材料表面的微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，可有效地控制材料表面液滴的潤濕性能。然而，在光滑表面上僅通過改變表面自由能，只能使接觸角增加到120°，而在此基礎(chǔ)上構(gòu)建合適的微觀粗糙結(jié)構(gòu)可使表面液滴的潤濕接觸角提高至150°，甚至達(dá)到170°，顯示出較為理想的超疏水特性。荷葉葉面具有良好的自潔效應(yīng),正是因?yàn)楹扇~葉面結(jié)構(gòu)特殊^[1],具有極強(qiáng)的疏水性。所以，當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要集中在如何構(gòu)造合適的粗糙的表面微觀粗糙結(jié)構(gòu)。常用的構(gòu)建方法有溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、刻蝕法等等。傳統(tǒng)的制備方法所得到的表面結(jié)構(gòu)單一，兩步法雖能構(gòu)造出微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，但通常需要更長的加工周期，且制備工藝復(fù)雜。在應(yīng)用方面，制備的超疏水表面存在一定的局限性，表面微結(jié)構(gòu)與基體的附著力較低，容易導(dǎo)致基體表面的超疏水微結(jié)構(gòu)脫落，進(jìn)而影響超疏水性能的穩(wěn)定性及其應(yīng)用潛能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面及其構(gòu)建方法，該方法屬于原位構(gòu)建，處理工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，綠色、環(huán)保，易于規(guī)模化生產(chǎn)，所得到的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與基體具有較高的附著力，制備超疏水表面結(jié)構(gòu)均一，具有較高的超疏水性能，大幅度提高了超疏水材料的制備效率也將降低制備成本。

一種鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

1)以純鋁或鋁合金為基體材料，對基體材料預(yù)處理后備用；

2)配制苯甲酸鋅水溶液，然后加入適量氨水，直至溶液顏色轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨⑵滢D(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯反應(yīng)釜中；然后將步驟1)預(yù)處理的鋁片放入反應(yīng)釜內(nèi)，擰緊反應(yīng)釜后放入事先加熱到一定溫度的烘箱中保溫一定的時(shí)間，待反應(yīng)釜自然冷卻至室溫后，取出試樣并沖洗干凈。

3)利用十七氟硅烷進(jìn)行低能化處理：將所得的試樣置入十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中浸漬一定時(shí)間后，隨后在烘箱中熱烘以獲得鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面。

所述的方法，步驟1)中，所述預(yù)處理方法為：采用金相砂紙對基體進(jìn)行打磨，直至表面沒有明顯劃痕，并進(jìn)行拋光處理，隨后采用丙酮、無水乙醇以及去離子水依次進(jìn)行超聲清洗，最后浸漬到1M NaOH溶液1min后用去離子水沖洗干凈并晾干備用。

所述的方法，步驟2)中，水熱反應(yīng)溶液配制為4～8mM苯甲酸鋅水溶液，然后加入適量氨水，直至溶液顏色轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨刂乒に噮?shù)反應(yīng)溫度:70～150℃、反應(yīng)時(shí)間:4～9h。

所述的方法，步驟3)中，采用0.5～2.0wt％的十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液、浸漬時(shí)間為10～25h、烘箱溫度控制為100～150℃、熱烘時(shí)間為1.5～2.5h。

根據(jù)任一所述方法構(gòu)建的鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面。

本發(fā)明制備的試樣可以通過以下手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌和超疏水特性等表征：采用日本HITACHI SU-4800的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對樣品進(jìn)行微觀形貌觀察；選用德國DATAPHYSICS接觸角測量儀OCA20測試分析其表面超疏水性能。

采用本發(fā)明提出的一種鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面及其構(gòu)建方法，具有以下特點(diǎn)：

1、提出的微結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法屬于原位構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建微錐陣列結(jié)構(gòu)與鋁基體具有較高的附著力。

2、構(gòu)建的微錐陣列結(jié)構(gòu)均一，且微錐結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)出二級的納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)建工藝簡單、穩(wěn)定、重復(fù)性較高。

3、制備的鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面，具有較高的超疏水性能，液滴接觸角大于155°，滾動(dòng)角小于5°，動(dòng)態(tài)撞擊液滴能夠迅速彈離試樣表面，其接觸時(shí)間約為12ms。

4、制備的鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)超疏水表面，具有較高的性能穩(wěn)定性。

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鋁基微錐陣列結(jié)構(gòu)形貌；