一種電液束工藝加工具有高粘附微圖案超疏水表面的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于表面處理及特種加工領域，涉及一種電液束工藝加工具有高粘附微圖案超疏水表面的方法。
【背景技術】
[0002]接觸角大于150°的表面稱為超疏水表面。超疏水表面根據對水滴粘附力大小分為低粘附超疏水表面(荷葉)和高粘附超疏水表面(玫瑰花瓣)。低粘附超疏水表面具有優越斥水性能，在自清潔、減阻、抗結冰和油水分離等領域有重要應用價值。與低粘附超疏水表面不同，高粘附超疏水表面在保證高接觸角條件下對水滴有較強粘附力，因此在生物化學分析等領域有潛在應用價值。受低粘附及尚粘附超疏水表面啟發，低粘附超疏水表面的尚粘附微圖案研究受到越來越多研究學者重視。由于粘附力及粘附位置的空間可控，這種高粘附微圖案在液滴無損存貯、無損運輸等領域有廣泛應用價值。
[0003]目前低粘附超疏水表面的高粘附微圖案主要通過光刻、涂覆法和等離子體處理等技術實現。例如，Hess等(Langmuir ,2008,24(9):4785-4790.)通過氧等離子體及等離子體增強化學氣相沉積氟碳薄膜獲得了低粘附超疏水紙表面，并通過調控氧等離子體刻蝕條件改變超疏水紙對水滴的粘附性能。這個方法雖然可以精確調控紙張表面對水滴的粘附性，但是工藝相對復雜，通用性低。Yuekun Lai等(Advanced Materials , 2013,25( 12): 1682-1686.)在二氧化鈦納米管陣列超疏水表面通過非接觸涂覆防水酒精基墨水成功制備出高粘附性微點及線圖案。盡管上述方法簡單、高效，但穩定性較差、機械強度較低，且粘附力只能通過圖案尺寸調控，粘附性能調控區間窄。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有技術存在工藝復雜、通用性低及粘附性能調控區間窄等不足，發明了一種可加工具有高粘附微圖案超疏水表面的方法，通過電液束工藝加工具有高粘附微圖案的超疏水表面。該方法成本低、簡單、通用性高，能夠在不同金屬基底上獲得不同形狀和尺寸的高粘附微圖案，并可以通過調整加工參數來調控所獲得微圖案的表面形貌和粗糙度，從而達到不同的粘附效果。
[0005]本發明的技術方案是
[0006]—種電液束工藝加工具有高粘附微圖案超疏水表面的方法，步驟以下:
[0007](I)將待加工金屬基體固定在可噴射導電電解液的電液束加工裝置上，保證待加工金屬基體與電液束噴射方向垂直，設定與待加工金屬基體表面垂直方向為XYZ坐標系的Z軸，電液束噴嘴末端相對待加工金屬基體表面的Z向間距為0.5-5mm;所述的電液束噴嘴采用內嵌銅管的石英噴嘴，噴嘴內孔直徑為80-5000μπι;所述的待加工金屬基體為表面存在微觀結構的超親水基體;待加工金屬基體連接電源正極，電液束噴嘴銅管連接電源負極；
[0008](2)通過調整電解液濃度、噴射壓力、噴嘴直徑、加工電壓、加工時間以及電液束噴嘴在XY平面的移動速度和移動軌跡來控制微圖案的形狀、尺寸和粘附力;所述的電解液使用質量分數為1%-25%的硝酸鈉或氯化鈉水溶液;所述的噴射壓力為0.1-lMpa;所述的噴嘴直徑為80-5000μπι;所述的加工電壓為100-1000V;所述的加工時間為l-30s;所述噴嘴的移動速度為l_1000mm/min。
[0009](3)將電液束加工后的表面用去離子水超聲清洗吹干后放入硬脂酸或氟硅烷乙醇溶液中修飾，取出后吹干即獲得具有高粘附微圖案超疏水表面。
[0010]本發明的有益效果:本發明具有設備簡單、成本低、通用性高等優點，所加工出的高粘附微圖案結構穩定，在液滴無損存貯、轉移、定向運輸等方面具有潛在應用價值。
【附圖說明】
[0011]圖1是電液束加工方法示意圖。
[0012]圖2是電液束加工的高粘附微坑陣列示意圖。
[0013]圖3是電液束加工的高粘附圓環溝道示意圖。
[0014]圖4是電液束加工的高粘附半圓環溝道示意圖。
[0015]圖5是電液束加工的高粘附微溝道陣列示意圖。
[0016]圖中:I工件;2微坑;3噴嘴銅管;4噴嘴夾頭;5石英噴嘴;6電解液;7低粘附超疏水表面;8尚粘附微坑;9尚粘附圓環溝道;10尚粘附半圓環溝道;11尚粘附微溝道;12水滴。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和技術方案對本發明作進一步的詳細說明。
[0018]實施例一:利用電液束工藝加工具有高粘附微坑的超疏水鋁合金表面，如圖2所示，具體方法如下:
[0019](I)分別用800#和150(^砂紙打磨鋁合金基底并用去離子水超聲清洗，除去表面雜質、油污；
[0020](2)使用氯化鈉水溶液對光整后的鋁合金基底進行電化學刻蝕獲得超親水鋁合金基底;其中，氯化鈉水溶液濃度為0.1mo I/L，刻蝕時間為8min，極板間距為1mm，刻蝕電流密度為600mA/cm2 ；
[0021 ] (3)將金屬基體固定在可噴射導電電解液的電液束加工裝置上，保證金屬基體與電液束噴射方向基本垂直，設定與金屬基體表面垂直方向為XYZ坐標系的Z軸，噴嘴末端相對金屬基體表面的Z向間距為Imm;所述的電液束噴嘴采用內嵌銅管的石英噴嘴，噴嘴內孔直徑為520μπι;金屬基體連接電源正極，電液束噴嘴銅管連接電源負極；
[0022](4)加工過程中，噴嘴與基片相對位置不變，加工3s后可在超親水鋁合金基底上加工出直徑為680μπι的微坑，如圖2所示，其中，電解液為質量分數15 %的硝酸鈉溶液，電解液噴射壓力為0.3Mpa，加工電壓為100V;
[0023](5)將步驟4加工得到的金屬基底用去離子水超聲清洗吹干后放入0.05mol/L硬脂酸酒精溶液中30min降低結構表面能，取出后放入烘箱以100攝氏度烘烤20min后即可獲得具有尚粘附微坑的超疏水表面。
[0024]15yL水滴在超疏水區域和微坑上的滾動角分別為5°和18.2°，明顯的滾動角差異性說明該微坑對水滴有明顯的粘附作用。
[0025]實施例二:利用電液束工藝加工具有高粘附圓環溝道的超疏水鋁合金表面，如圖3所示。
[0026](I)分別用800#和150(^砂紙打磨鋁合金基底并用去離子水超聲清洗，除去表面雜質、油污；
[0027](2)將光整后的鋁合金基底浸入氯化銅水溶液中進行化學刻蝕后得到超親水鋁合金基底;其中，氯化銅水溶液濃度為Imo 1/L，刻蝕時間為20s;
[0028](3)將超親水金屬基體固定在可噴射導電電解液的電液束加工裝置上，保證金屬基體與電液束噴射方向基本垂直，設定與金屬基體表面垂直方向為XYZ坐標系的Z軸，噴嘴末端相對金屬基體表面的Z向間距為Imm;