一種仿生微納復合結構超疏水表面的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超疏水表面制備技術領域，涉及一種仿生微納復合結構超疏水表面的制備方法。
【背景技術】
[0002]液體對固體表面的潤濕是常見的界面現象，潤濕性是固體表面的一個重要性質。它不僅與自然界中各種動、植物的生命活動息息相關，還廣泛地應用于工農業(yè)生產及人們的日常生活等領域，如防水、采油、油漆涂覆等。影響固體表面潤濕性的因素有很多，其中表面自由能和表面微觀結構是決定液體在固體表面潤濕性的兩個關鍵因素[江雷，馮琳.仿生智能納米界面材料.北京:化學工業(yè)出版社，2007.]。自然界中的許多動植物都具有超疏水表面，其中最典型的是荷葉。研究表明荷葉之所以超疏水是因為在其表面分布著許多直徑為5?9 μ m的微米級突起和平均直徑為200nm的納米級突起，并且表面由一層低表面能的蠟質組成[Chem.Soc.Rev.2010，39，3240.]。
[0003]不銹鋼由于其良好的韌性、耐磨性、導電性等被廣泛用于建筑、航天、紡織、造船等領域。但是當其置于潮濕環(huán)境中時極易因發(fā)生化學反應、電化學反應而產生金屬腐蝕，嚴重影響其使用壽命，給人們的生產和生活帶來很多不便的同時，金屬腐蝕還會造成巨大的經濟損失。近年來，為了對金屬進行保護，人們研究了很多方法來減緩金屬的腐蝕，常用的有:電化學保護法、有機鍍膜法、緩蝕劑法等。超疏水膜表面的粗糙結構內可以停留大量空氣，使得水滴在固體表面的接觸狀態(tài)從液-固接觸轉換為氣-固和液-固復合接觸，有效地降低了水與金屬表面的接觸面積，從而起到抗腐蝕作用[Chem.Eng.J.2012, 210, 182.]。因此，在不銹鋼基底構筑超疏水表面成為提高不銹鋼抗腐蝕性能的有效途徑之一。
[0004]張晨輝等[201210186152.6]利用電鍍法在鋼材表面構建微納結構，然后將其置于真空爐中進行熱處理，即可在鋼材表面獲得超疏水涂層。王許南[201110372946.7]等利用碳酸氫銨溶液刻蝕銅片，然后用硬脂酸對刻蝕后的基底修飾改性，即可得到與水的接觸角在150°?160°之間的超疏水銅片。此外，通過電化學法、化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法等方法[CN201410667574.4，US20070442034，US20050229062, CN201410765811.0]也可以得到超疏水表面。
[0005]目前主要通過增加表面粗糙度和降低表面自由能來提高表面超疏水性。具體的制備方法包括化學氣相沉積法、模板法、電化學法、自組裝、等離子體刻蝕、溶膠-凝膠法等等[Collids Surf.A-Physicochem.Eng.Asp.2014, 445, 75.]。但是這些方法均存在著各自的缺點及局限性，如制備工藝復雜、原料和加工設備昂貴、周期長、穩(wěn)定性差等。因此，亟需發(fā)明一種簡單方便的方法制備超疏水表面。
[0006]我們從仿生微納復合結構的角度出發(fā)，提出介觀尺度的兩步刻蝕法制備超疏水表面。依次對基底進行兩步刻蝕處理制備微納復合結構，再用氟硅烷修飾后，得到的表面超疏水性能優(yōu)異，抗腐蝕性能良好。

【發(fā)明內容】

[0007]針對現有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種新的仿生微納復合結構超疏水表面的制備方法。該方法不需要特殊的設備，成本低，得到的表面超疏水性能優(yōu)異，抗腐蝕性能良好，可重復性好。
[0008]本發(fā)明的技術方案是:
[0009]—種仿生微納復合結構超疏水表面的制備方法，從仿生微納復合結構的角度出發(fā)，提出介觀尺度的兩步法制備超疏水表面，依次對基底進行兩次化學刻蝕處理制備微納復合結構，然后利用表面改性劑對其進行液相沉積改性，得到超疏水表面，該表面具有良好的抗腐蝕性能；步驟如下:
[0010]第一步，基底表面的預處理
[0011]用清洗劑對基底表面進行超聲清洗，清洗后用氮氣吹干，待用，超聲功率為50?150W，每次 5 ?15min ；
[0012]所述的清洗劑包括氯仿、丙酮、無水乙醇或去離子水；
[0013]所述的基底包括石英、玻璃、金屬、合金、單晶硅片、多晶硅片、云母片、單層薄膜材料修飾的氧化硅、多層薄膜材料修飾的氧化硅、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或重氮光刻膠聚合物；所述的金屬包括鐵、鎂、鋁、銅、鈦、鋰、鎳、鎢、鋅或錫；所述的合金包括不銹鋼、碳鋼、鋰-鎂合金、鋁合金或鋅合金等。
[0014]第二步，在基底表面制備微納復合結構
[0015](1)在20?50°C條件下，將基底置于濃度為0.1?0.5g/mL的刻蝕液中反應1?lOmin，在基底表面得到微米級結構，結構大小通過反應時間、反應溫度和刻蝕劑的濃度控制;
[0016](2)在20?50°C條件下，將步驟(1)刻蝕后的基底置于濃度為0.25?2mol/L的刻蝕液中繼續(xù)反應5?30min，在基底表面的微米級結構上形成納米結構，即為微納復合結構，結構大小通過反應時間、反應溫度和刻蝕劑的濃度控制；
[0017]所述的刻蝕劑包括酸性刻蝕劑、堿性刻蝕劑或無機鹽刻蝕劑；所述的酸性刻蝕劑包括硫酸、稀硝酸、鹽酸、磷酸、氫溴酸、氫碘酸、氫氟酸或含碳類的有機酸；所述的堿性刻蝕劑包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣或有機生物堿；所述的無機鹽刻蝕劑包括三氯化鐵、硫酸銅、硝酸銀、氯化銅、硝酸銅、氟化銨、鐵氰化鉀。
[0018]第三步，表面修飾改性
[0019]配制質量分數為1%?5%的表面改性劑-乙醇溶液，將配制好的表面改性劑-乙醇溶液攪拌至形成均勻透明的液體；室溫下將第二步得到的具有微納復合結構的基底浸入表面改性劑-乙醇溶液中30?90min，依次用乙醇和去離子水沖洗；然后放入干燥箱中，60?100°C下烘干10?30min，即得仿生微納復合結構超疏水表面，同時基底表面對其它液體也具有一定疏液性。
[0020]所述的表面改性劑包括脂肪酸、脂肪酸衍生物、有機硫醇、有機膦酸、有機硅烷或聚四氟乙烯；所述的有機硅烷包括烷基氯硅烷、烷基烷氧基硅烷或烷基氨基硅烷；所述的其它液體包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇、正丁醇、正辛醇、脂類、硅油、烷烴、潤滑油脂、菜籽油、石油、橄欖油、蓖麻油或石蠟等。
[0021]本發(fā)明的工作原理:通過化學反應或電化學反應在基底上構筑類似于荷葉表面的微納復合結構以增加表面的粗糙度；再利用表面改性劑分子中的硅氧烷或硅氯烷水解生成的S1-OH與羥基化的固體基底之間發(fā)生脫水縮合反應，從而使得低表面能物質以共價鍵的形式連接在在基底表面上，使得表面自由能顯著降低，達到超疏水的效果。
[0022]本發(fā)明的效果和益處是:制得的表面超疏水性能優(yōu)異，不需要特殊的設備，成本低，長期穩(wěn)定性好，可重復性好，抗腐蝕性能也明顯提高，具有很好的工業(yè)化應用前景。
【附圖說明】
[0023]圖1是不鎊鋼基底超疏水表面制備過程不意圖。
[0024]圖中:1不鎊鋼基底；2具有微米級結構的不鎊鋼基底；
[0025]3具有微納復合結構的不鎊鋼基底；4超疏水不鎊鋼基底。
[0026]圖2是本發(fā)明實施例1在不銹鋼基底上獲得的超疏水表面接觸角測試圖。
[0027]圖3(a)是本發(fā)明實施例1中空白不銹鋼基底的SEM。
[0028]圖3 (b)是本發(fā)明實施例1中FeCl#P PFDTES處理的不銹鋼基底的SEM。
[0029]圖3 (c)是本發(fā)明實施例1中超疏水不銹鋼基底的SEM。
[0030]圖4本發(fā)明實施例1中不同基底的動電位極化曲線。
[0031]圖中:A空白不鎊鋼基底；B超疏水不鎊鋼基底。
【具體實施方式】
[0032]以下通過具體實施例對本發(fā)明的技術方案及應用作進一步詳細說明。