一种在金属基体上制备混杂多阶结构的超疏水薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种在金属基体上制备混杂多阶结构的超疏水薄膜的方法，属于超疏水表面制备技术领域，主要步骤包括金属基体清洗、化学腐蚀、二氧化硅原位自组装、疏水性硅氧烷改性四步。本发明方法处理的金属表面具有纳米/微米圆球复合形成的多阶微观结构，具有优良的超疏水性，表面与水的静态接触角大于150°。本方法具有工艺简单、成本低、可控性好等特点，适合于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属基体表面处理技术，具体是一种在金属基体上制备有机－无机混杂多阶结构二氧化硅超疏水薄膜的方法。 

背景技术

超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于150°的固体表面，这类材料在工农业生产和人们的日常生活中有着非常广阔的应用前景，近年来备受关注。在金属基体表面进行超疏水处理可以起到防污、防腐蚀、防结霜结冰、减少与水的摩擦系数等效果，对于金属材料在船舶、航天航空、建筑、医药等方面应用性能的改善和更多潜在应用的开发意义重大。 

超疏水现象起源于自然界，其中最典型的代表是荷叶表面。研究表明，荷叶表面的超疏水性是由于表面上微米结构与纳米结构相结合的阶层结构及表面蜡状物的存在共同作用的结果。目前仿生制备超疏水表面一般有两种途径：一为在较低表面能的材料表面构建具有一定粗糙度的表面微观结构；二为在较高表面能的固体材料表面构建具有一定粗糙度的表面微观结构，然后辅以低表面能物质修饰。由于金属基体表面能较高，属于与水滴的接触角小于90o的亲水性表面，因此通常采用第二种方法制备金属基超疏水表面，而其中关键是金属基体表面具有一定粗糙度的表面微观结构的构建。目前可用于制备金属基超疏水表面的方法有很多种，例如Bi Gi Park等人（Bo Gi Park, Wonbae Lee, Jung Suk kim, et al. Colloids and Surfaces A: Physic℃hem. Eng. Aspects 370 (2010) 15-19.）在金属铝表面利用阳极氧化法获得规则多孔型表面结构，结合低表面能物质修饰，表面呈现超疏水状态。Min Ruan等人（Min Ruan, Wen Li, Baoshan Wang, et al. Applied Surface Science 258 (2012) 7031-7035.）利用简单的化学蚀刻法辅以月桂酸乙醇溶液修饰成功在金属铝表面构建接触角高达167.5o的超疏水表面。Mingde Pei等人（Mingde Pei, Bo Wang, Er Li, et al. Applied Surface Science 256 (2010) 5824-5827.）利用低压表面氧化法在铜基体上构建了接触角为158°的超疏水表面。然而，目前这些方法制备金属基超疏水表面一般需要粗糙结构构建和低表面能物质修饰分两步完成，比较繁琐。因此，寻求一种操作简单，能够一步同时实现粗糙结构构建和低表面能物质修饰，且能获得性能优良的金属基超疏水表面的方法，仍是目前研究的重点。 

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种在金属基体上制备混杂多阶结构的超疏水薄膜的方法，以解决上述背景技术中的缺点。 

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现： 

一种在金属基体上制备混杂多阶结构的超疏水薄膜的方法，可用于在金属基体上制备有机-无机混杂多阶结构二氧化硅超疏水薄膜，其具体操作步骤包括：

1）、金属基体清洗：金属基体依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，烘干备用；

2）、化学腐蚀：清洗后的金属基体室温浸入化学处理液中腐蚀处理，处理完之后用去离子水超声清洗，烘干备用；

3）、二氧化硅原位自组装：将腐蚀处理过的金属基体垂直浸入充分混合均匀的含正硅酸乙酯、氨水和水的乙醇溶液中，一定温度下沉积反应2～24h，自组装一层二氧化硅薄膜；

4）、疏水性硅氧烷改性：继续向反应体系中加入含有疏水性硅氧烷的乙醇溶液，反应2～4h，取出，用无水乙醇润洗，干燥后获得有机－无机混杂二氧化硅超疏水薄膜。

在本发明中，所述金属基体可为铝、铜、锌、钛、镁、钢及其合金板材。 

在本发明中，所述步骤2）中，化学处理液为2～6 mol/L的盐酸溶液，腐蚀时间为0.5～10min。 

在本发明中，所述步骤3）中，溶液混合方式为磁力搅拌或超声分散。 

在本发明中，所述步骤3）混合溶液中正硅酸乙酯的浓度为0.05～0.5mol/L，氨水的浓度为1～10mol/L，水的浓度为1～10mol/L。 

在本发明中，所述步骤3）反应温度为20～60℃。 

在本发明中，所述步骤4）中疏水性硅氧烷的化学分子式为 ，其中R是甲基或乙基基团，是乙烯基、氨丙基或多碳烷基基团，m为1、2或3。其加入量为正硅酸乙酯物质的量的0.2～2倍。 

在本发明中，所述疏水性硅氧烷为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷或其他疏水性硅氧烷中的一种。 

在本发明中，步骤（4）中干燥方式为先室温晾干，再在60～80℃烘箱中干燥6～12h。 

有益效果：本发明通过二氧化硅原位自组装在金属基体表面构筑微球结构，以此为种子，通过疏水硅氧烷水解进一步构筑纳米/微米圆球复合形成的多阶微观结构，与此同时赋予表面低的表面能，由此获得的金属基体表面具有优良的超疏水性，表面与水的静态接触角超过150°。 

附图说明

图1为本发明有机-无机混杂多阶结构二氧化硅超疏水薄膜形成过程示意图。 

图2为本发明实施例1在铝合金表面制备超疏水薄膜后的静态接触角测试结果图。 

图3为本发明实施例1在铝合金表面制备超疏水薄膜后的表面扫描电镜图片。 

图4为本发明实施例2在铜基体表面制备超疏水薄膜后的静态接触角测试结果图。 

图5为本发明实施例2在铜基体表面制备超疏水薄膜后的表面扫描电镜图片。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

具体实施例1： 

在实施例1中，一种在金属基体上制备有机-无机混杂多阶结构二氧化硅超疏水薄膜的方法按图1步骤流程进行：

首先，铝合金基体依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，烘干；清洗后的铝合金基体室温浸入6 mol/L的盐酸溶液中腐蚀处理0.5min，处理完之后用去离子水超声清洗，烘干备用；将腐蚀处理过的铝合金基体垂直浸入预先充分混合均匀的含正硅酸乙酯、氨水和水的乙醇溶液中，20℃条件下沉积反应2h，原位自组装一层二氧化硅薄膜；向反应体系中加入含有乙烯基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，继续反应3h。

体系中正硅酸乙酯的浓度为0.23mol/L，H₂O的浓度为9.5mol/L，氨水的浓度为3.3mol/L，乙烯基三乙氧基硅烷的浓度为0.23mol/L。取出铝合金基体，用无水乙醇润洗后先室温晾干，再在80℃烘箱中干燥6h，获得有机－无机混杂二氧化硅超疏水薄膜。处理后表面与水的静态接触角为157.6°（参见图2），所制备膜层表面扫描电镜图片示于图3。 

具体实施例2： 

在实施例2中，一种在金属基体上制备有机-无机混杂多阶结构二氧化硅超疏水薄膜的方法按图1步骤流程进行：

首先，铜基体依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，烘干；清洗后的铜基体室温浸入6 mol/L的盐酸溶液中腐蚀处理1min，处理完之后用去离子水超声清洗，烘干备用；将腐蚀处理过的铜基体垂直浸入预先充分混合均匀的含正硅酸乙酯、氨水和水的乙醇溶液中，60℃下沉积反应4h，原位自组装一层二氧化硅薄膜；向反应体系中加入含有乙烯基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，继续反应4h。

体系中正硅酸乙酯的浓度为0.23mol/L，H2O的浓度为9.5mol/L，氨水的浓度为9.9mol/L，乙烯基三乙氧基硅烷的浓度为0.13mol/L。取出铜基体，用无水乙醇润洗后先室温晾干，再在60℃烘箱中干燥12h，获得有机－无机混杂二氧化硅超疏水薄膜。处理后表面与水的静态接触角为152.3°（参见图4），所制备膜层表面扫描电镜图片示于图5。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。