一種基于銅的超疏水表面及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超疏水材料的制備領域，具體涉及一種基于銅的超疏水表面及其制備方法。
【背景技術】
[0002]浸潤性是固體表面的重要特征之一，而超疏水性能為其中的一種表現方式。通常提高物體表面疏水性的方法有兩種:一是改變物體表面的微觀物理結構，降低表面能。二是改變物體表面的化學組成，如用低表面能的物質對物體表面進行修飾。
[0003]自然界中存在著很多超疏水現象，許多動植物，如荷葉、水稻葉、蟬翼和水龜腿表面具有超疏水現象。超疏水表面一般指與水的靜態接觸角大于150°的表面。具有超疏水性質的金屬表面以其自清潔、抗氧化、抗腐蝕、流動減阻及微流體無損輸送等方面的潛在應用價值受到科學界的廣泛關注。同時，超疏水表面對于宏觀尺度水滴帶來的覆冰具有明顯抑制作用。它能延緩結冰時間、減少覆冰量、降低冰塊與固體表面的粘附。
[0004]銅作為在電器、建筑工業、輕工業、機械制造、國防工業等領域被廣泛使用的金屬材料，在很多應用下要求銅基表面具有超疏水性能。目前現有的制備超疏水銅基表面的方法通常處理工序較為復雜、成本高、對環境也有一定的影響，且目前較為普遍的通過沉積修飾而得的超疏水銅表面結構并不穩定，易脫落。因此研發出工序簡單，成本低且結構較為穩定的超疏水銅表面制作方法具有重大的意義。
【發明內容】
[0005]針對目前金屬銅基體上制備超疏水表面方法存在的處理工序多，成本高且所得超疏水銅表面結構性能不穩定的問題，本發明提供了一種成本較低且所得超疏水結構性能較為穩定，易于實現工業化的基于銅的超疏水表面及其制備方法。
[0006]本發明的目的通過如下技術方案實現。
[0007]一種基于銅的超疏水表面的制備方法，其包括如下步驟:
(1)銅片預處理:使用不同梯度砂紙將銅片打磨，至表面光滑，再經超聲波清洗去除表面殘留的磨削，獲得初步粗化表面微結構；
優選的，所述打磨砂紙梯度為:600cw、800cw、lOOOcw與1500cw ；
優選的，所述超聲波清洗時間為5min。
[0008](2)電鍍預處理:在常溫常壓下，先將步驟(1)所得實驗銅片以及電鍍所需鋅片進行堿洗，去除表面油污。取出后再經去離子水清洗，去除表面殘余堿液，而后再對其進行酸洗處理，去除表面氧化層。再用去離子水進行清洗，便可得到清潔的銅片和鋅片；
優選的，所述堿洗溶液為氫氧化鈉溶液，氫氧化鈉溶液的濃度為100 g/L~140 g/L ； 優選的，所述銅片置于氫氧化鈉溶液中進行堿洗的時間為10~15分鐘；
優選的，所述鋅片于氫氧化鈉溶液中清洗的時間為10~15分鐘；
優選的，所述酸洗溶液為稀硫酸溶液，稀硫酸溶液濃度為:5wt% ； 優選的，所述銅片于稀鹽酸中洗滌的時間為8~10分鐘；
優選的，所述鋅片于稀鹽酸中清洗的時間為10秒。
[0009](3 )表面鍍鋅:將步驟(2 )所述電鍍預處理后的銅片和鋅片置于電鍍盒中，加入電鍍液，并將電鍍盒放入恒溫水浴箱中，以得到恒溫的實驗環境；以鋅片為陽極，以銅片為陰極，分別連接直流電箱的輸出正/負極，調節參數靜置電鍍；電鍍結束后將銅片取出用去離子水清洗并干燥，即得表面鍍鋅銅塊；
優選的，所述電鍍液為鍍鋅電鍍液；
優選的，所述恒溫水浴箱設定的溫度為30 °C~40 °C;
優選的，所述電鍍的參數調節為:電流密度為20~30 mA/cm2,電鍍時間為15~20分鐘。
[0010](4)低溫燒結:將電鍍完成的銅片放入還原氣氛保護爐中低溫燒結；
優選的，所述低溫燒結的溫度為150~200 °C，燒結時間為2小時。
[0011](5)脫合金處理:將低溫燒結后的銅片隨爐冷卻，然后取出置于脫合金腐蝕溶液中進行脫合金處理，至表面完全變黑后取出銅片，最后用去離子水清洗并干燥，所得產物即為所述具有納米多孔表面結構的銅片；
進一步地，所述脫合金腐蝕溶液為稀硫酸溶液或氫氧化鈉溶液，稀硫酸溶液濃度為3wt%~10wt%，氫氧化鈉溶液濃度為100g/L~180g/L;所述表面完全變黑后取出銅片為脫合金腐蝕的終止時間，根據腐蝕溶液的選擇及濃度的不同，腐蝕時間為8h~24h ；
優選的，所述脫合金腐蝕溶液為氫氧化鈉溶液，氫氧化鈉溶液的濃度為100 g/L~140
g/L ；
優選的，所述脫合金處理的時間為12~24小時。
[0012](6)修飾處理:將上述所得具有納米多孔表面結構的銅片在常溫常壓下置于預先配置好的修飾溶液中靜置修飾，將疏水化合物修飾在其表面，即得超疏水銅表面；
進一步地，所述的修飾溶液為硬脂酸酒精溶液，溶液濃度為4~8mmol/L ;所述的修飾時間根據硬脂酸酒精溶液的濃度不同，修飾時間為8~18h
優選的，所述修飾溶液為硬脂酸酒精溶液，所述的硬脂酸酒精溶液的濃度為:5~8mmol/
L ；
優選的，所述修飾時間為:8~12小時。
[0013]本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
(1)由于本發明中修飾對象為帶有多孔結構的銅基體本身，而普通化學沉積修飾方法的修飾對象為沉積于銅表面的銅化合物，由于沉積物質本身附著的不穩定性導致修飾后的銅表面極易脫落，因此本發明與現有的普通化學沉積修飾方法相比所得的超疏水表面，結構與性能更加穩定；
(2)本發明所制備的超疏水表面具有很高的疏水性，接觸角能達到158°以上；
(3)本發明的成本低廉，工藝可控，實施過程簡單，因此生產效率高，易于實現工業化，且可大面積對形狀特殊或復雜的銅零部件表面進行超疏水改性。
【附圖說明】
[0014]圖1是實施例1制備的基于銅的超疏水表面的靜態接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0015]圖2是實施例1制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0016]圖3是實施例1制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0017]圖4是實施例2制備的基于銅的超疏水表面的靜態接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0018]圖5是實施例2制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0019]圖6是實施例2制備的基于銅的超疏水表面的SEM圖。
[0020]圖7是實施例3制備的基于銅的超疏水表面的靜態接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0021]圖8是實施例4制備的基于銅的超疏水表面的靜態接觸角照片，液滴體積為4微升。
[0022]
【具體實施方式】
[0023]下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0024]實施例1:(1)銅片預處理:實驗銅片為20mm*20mm*2mm銅片，使用600cw、800cw、lOOOcw、1500cw的砂紙依次將銅片打磨，至表面光滑，再經超聲波清洗5min去除表面殘留的磨削，獲得初步粗化表面微結構。
[0025](2)電鍍預處理:在常溫常壓下，先將實驗銅片以及電鍍所需鋅片用120g/L的氫氧化鈉堿洗lOmin，去除表面油污。取出后再經去離子水清洗，去除表面殘余堿液，而后再用5wt%的稀硫酸酸洗處理，銅片酸洗lOmin，鋅片酸洗10s。去除表面氧化層。再用去離子水進行清洗，便可得到清潔的銅片和鋅片。
[0026](3)表面鍍鋅:將電鍍預處理后的銅片和鋅片置于電鍍盒中，加入電鍍液，并將電鍍盒放入恒溫水浴箱中，調節溫度為30°C，以得到恒溫的實驗環境；以鋅片為陽極，以銅片為陰極，分別連接直流電箱的輸出正/負極，調節直流電流為80mA，電鍍時間為20min ;電鍍結束后將銅片取出用去離子水清洗并干燥，即得表面鍍鋅銅塊。
[0027](4)低溫燒結:將電鍍完成的銅片放入還原氣氛保護爐中低溫燒結，燒結溫度為150°C，燒結時間為2小時;
(5)脫合金處理:將低溫燒結后的銅片隨爐冷卻，然后取出置于120g/L的NaOH溶液中進行脫合金處理，處理時間為16小時至表面完全變黑后取出銅片，最后用去離子水清洗并干燥，所得產物即為所述具有納米多孔表面結構的銅片。
[0028](6)修飾處理:將上述所得具有納米多孔表面結構的銅片在常溫常壓下置于預先配置好的5mmol/L的硬脂酸酒精溶液中靜置修飾8小時，將疏水化合物修飾在其表面，即得超疏水銅表面。圖1為所得超疏水銅片的靜態接觸角測量圖片，在測試液滴體積為4微升下，測量得靜態接觸角為157.5°。圖2及圖3所示為所得超疏水銅表面的微觀結構SEM圖，圖中銅表面不規則線狀凸起為硬脂酸與脫合金所得納米多孔銅基體反應產物，硬脂酸銅。
[0029]實施例2:(1)銅片預處理:實驗銅片為20mm*20mm*2銅片，使用600cw、800cw、lOOOcw、1500cw的砂紙依次將銅片打磨，至表面光滑，再經超聲波清洗5min去除表面殘留的磨削，獲得初步粗化表面微結構。
[0030](2)電鍍預處理:在常溫常壓下，先將實驗銅片以及電鍍所需鋅片用100g/L的氫氧化鈉堿洗15min，去除表面油污。取出后再經去離子水清洗，去除表面殘余堿液，而后再用5wt%的稀硫酸酸洗處理，銅片酸洗8min，鋅片酸洗10s。去除表面氧化層。再用去離子水進行清洗，便可得到清潔的銅