一种纳米复合电刷镀制备超疏水表面的方法

摘要

一种纳米复合电刷镀制备超疏水表面的方法，属于制备疏水表面的方法。方法步骤：步骤1、镀层制备：首先将碳钢基体抛光，表面粗糙度Ra0.8，清洗后烘干；按照电净-二号活化-三号活化-镀底层-镀纳米C/Ni复合镀层-镀纳米Cu/Ni复合镀层的工序顺序在碳钢基体上沉积出具有微纳米双重粗糙结构的双层纳米复合镀层，每一个步骤完成后用去离子水冲洗试样，然再进行下一个步骤；将刷镀完的试样放入酒精中，并在超声波清洗器中清洗30分钟，再放入60℃烘干箱中烘干1小时；步骤2、表面化学改性：将烘干的试样放入配制的氟硅烷溶液中，氟硅烷溶液中十三氟辛基三甲氧基硅烷与无水乙醇的质量比为1：49，在60℃下浸泡40分钟，取出在100℃的烘箱中烘干1小时，即可。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备疏水表面的方法，特别是一种纳米复合电刷镀制备超疏水表面的方 法。

背景技术

超疏水表面由于有许多优异的性能，比如自清洁功能、防水、抗结冰、防腐蚀等等，在 许多领域都有广阔的应用前景。最为熟知的超疏水表面就是荷叶，荷叶具有优异的超疏水性 能和非凡的自清洁功能。超疏水表面的制备和应用研究一直以来都是科学家的研究热点。研 究人员总结出了制备超疏水表面的两个方法：一种是在低表面能的材料上制备微纳米双重粗 糙结构，一种是在表面能比较高的材料上先制备出微纳米双重粗糙结构，再用低表面能的物 质对其进行修饰，以降低粗糙结构表现得表面能。对于光滑的固体材料，即使它具有最低的 表面能，它与水的接触角也最多能达到120°，因此在材料表面构建微纳米双重粗糙结构是制 备超疏水表面的关键。

目前已有许多在金属表面制备超疏水表面的方法，如溶液浸泡法、电化学沉积法、化学 腐蚀法、阳极氧化法、化学沉积法等。但是现有的技术还存在许多不足，如表面机械强度不 高，工艺过程比较复杂，表面耐磨性持久性不足，对设备的要求比较高，难以实现大范围的 制备。因此目前超疏水表面仍旧处于基础性研究阶段，其规模化的实际应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是要提供一种纳米复合电刷镀制备超疏水表面的方法，解决目前超疏水表 面制备过程中存在的表面机械强度不高，工艺过程比较复杂，表面耐磨性持久性不足，难以 实现大面积制备的问题。

本发明的目的是这样实现的：制备的超疏水表面方法分两个步骤：

步骤1、纳米复合镀层制备：首先将碳钢基体抛光，表面粗糙度Ra0.8，清洗后烘干；

配制电刷镀所需的电净液、二号活化液、三号活化液、特殊镍溶液、纳米C颗粒复合Ni 镀液、纳米Cu复合Ni镀液；

按照电净-二号活化-三号活化-镀底层-镀纳米C/Ni复合镀层-镀纳米Cu/Ni复合镀层的工 序顺序在碳钢基体上沉积出具有微纳米双重粗糙结构的双层纳米复合镀层，每一个步骤完成 后用去离子水冲洗试样，然再进行下一个步骤；

每一工序的刷镀工艺参数：电净工序，施加电压+6V，时间30s，相对运动速度4—8m/min； 二号活化工序，施加电压-6V，时间30s，相对运动速度5—10m/min；三号活化工序，施加电 压-8V，时间30s，相对运动速度5—10m/min；镀底层工序，施加电压+10V，时间90s，相对 运动速度6—8m/min；镀纳米C/Ni复合镀层工序，施加电压+15V，时间90s，相对运动速度 6—8m/min；镀纳米Cu/Ni复合镀层工序，施加电压+15V，时间90s，相对运动速度8—12m/min；

将刷镀完的试样放入酒精中，并在超声波清洗器中清洗30分钟，再放入60℃烘干箱中 烘干1小时；

步骤2、表面化学改性：

将烘干的试样放入配制的氟硅烷溶液中，氟硅烷溶液中十三氟辛基三甲氧基硅烷与无水 乙醇的质量比为1：49，在60℃下浸泡40分钟，取出在100℃的烘箱中烘干1小时，即可；

所述的电净液包括：氢氧化钠（NaOH），浓度25.0g/L、碳酸钠（Na₂CO₃），浓度21.7g/L、 磷酸三钠（Na₃PO₄），浓度50.0g/L和氯化钠（NaCI），浓度2.4g/L；

所述的二号活化液包括：盐酸（HCI），浓度25.0g/L和氯化钠（NaCI），浓度140.0g/L；

所述的三号活化液包括：氯化镍（NiCl₂.6H₂O），浓度3.0g/L、柠檬酸三钠 （Na₃C₆H₅O₇.2H₂O），浓度142.2g/L、柠檬酸（H₃C₆H₅O₇），浓度94.2g/L和草酸铵（NaCI）， 浓度0.1g/L；

所述的特殊镍溶液包括：NiSO₄·7H2O，浓度400g/L、NiCl₂·6H₂O，浓度20g/L、CH₃COOH， 浓度68g/L和HCl(浓度30%)，浓度20g/L；

所述的纳米C颗粒复合Ni镀液包括：NiSO₄·6H₂O，浓度254g/L、NH₃·H₂O（NH₃含量 25％︿28％），浓度105mL/L、(NH4)₃C₆H₅O₇，浓度56g/L、CH₃COONH₄，浓度23g/L、十二 烷基硫酸钠（CH₃(CH₂)₁₀CH₂OSO₃Na），浓度0.1g/L、草酸铵（C₂H₈N₂O₄·H₂O），浓度0.1g/L 和纳米碳粉，浓度15g/L；

所述的纳米Cu颗粒复合Ni镀液包括：NiSO₄·6H₂O，浓度254g/L、NH₃·H₂O（NH₃含量 25％︿28％），浓度105mL/L、(NH₄)₃C₆H₅O₇，浓度56g/L、CH₃COONH₄、浓度23g/L、CH₃COOH， 浓度56g/L、十二烷基硫酸钠（CH₃(CH₂)₁₀CH₂OSO₃Na），浓度0.1g/L、草酸铵（C₂H₈N₂O₄·H₂O） 浓度0.1g/L、纳米铜粉，浓度5g/L和添加剂X，浓度56g/L。

有益效果，由于采用了上述方案，采用纳米复合电刷镀技术制备了超疏水表面，对超疏 水表面大面积制备技术及其应用有重要意义。充分应用了电刷镀技术具有的设备轻便、工艺 灵活、镀层种类多样、镀层结合强度高、高效及可制备大面积镀层优点，采用合适的工艺条 件在碳钢基体上刷镀纳米C/Ni和纳米Cu/Ni二层复合镀层可以制备出超疏水表面，镀层表面 为微纳米双重粗糙结构，与荷叶表面微观结构相似；当工作电压为15V，刷镀速度为8m/min， 纳米铜颗粒浓度为5g/L左右时为最佳工艺参数，镀层的接触角最大，可以达到155.5±0.9°， 滚动角为5°；镀层与基体碳钢相比有较好的摩擦性能和耐腐蚀性能。能对舰船表面及船体表 面设备的保护。舰船在水中运行，其表面将会受到水和大气中的氧的腐蚀，镀覆纳米镀层后， 实现表面超疏水，减小水和氧对基体的腐蚀。解决了目前超疏水表面制备过程中存在的表面 机械强度不高，工艺过程比较复杂，表面耐磨性持久性不足，难以实现大面积制备的问题。

优点：

1、可实现超疏水表面的大面积制备，为超疏水表面的工业化应用提供了可行性；

2、设备简单可靠。电刷镀设备仅为一台刷镀电源，体积小，重量轻，易移动，可便携， 价格低；

3、镀层表面为微纳米双重粗糙结构，与荷叶表面微观结构相似，镀层的接触角可以达到 155.5±0.9°，滚动角仅为5°，疏水效果良好。

4、镀层与基体碳钢相比有较好的摩擦性能和耐腐蚀性能，使用寿命长久。

具体实施方式

实施例1：制备的超疏水表面方法分两个步骤：

步骤1、纳米复合镀层制备：

首先将Q345碳钢基体抛光，表面粗糙度Ra0.8，清洗后烘干。

配制电刷镀所需的电净液、二号活化液、三号活化液、特殊镍溶液、纳米C颗粒复合Ni 镀液、纳米Cu复合Ni镀液；

按照电净-二号活化-三号活化-镀底层-镀纳米C/Ni复合镀层-镀纳米Cu/Ni复合镀层的工 序顺序在碳钢基体上沉积出具有微纳米双重粗糙结构的双层纳米复合镀层，每一个步骤完成 后用去离子水冲洗试样，然再进行下一个步骤；

每一工序的刷镀工艺参数：电净工序，施加电压+6V，时间30s，相对运动速度4—8m/min； 二号活化工序，施加电压-6V，时间30s，相对运动速度5—10m/min；三号活化工序，施加电 压-8V，时间30s，相对运动速度5—10m/min；镀底层工序，施加电压+10V，时间90s，相对 运动速度6—8m/min；镀纳米C/Ni复合镀层工序，施加电压+15V，时间90s，相对运动速度 6—8m/min；镀纳米Cu/Ni复合镀层工序，施加电压+15V，时间90s，相对运动速度8—12m/min；

将刷镀完的试样放入酒精中，并在超声波清洗器中清洗30分钟，再放入60℃烘干箱中 烘干1小时；

步骤2、表面化学改性：

将烘干的试样放入配制的氟硅烷溶液中，氟硅烷溶液中十三氟辛基三甲氧基硅烷与无水 乙醇的质量比为1：49，在60℃下浸泡40分钟，取出在100℃的烘箱中烘干1小时，即可；

所述的电净液包括：氢氧化钠（NaOH），浓度25.0g/L、碳酸钠（Na₂CO₃），浓度21.7g/L、 磷酸三钠（Na₃PO₄），浓度50.0g/L和氯化钠（NaCI），浓度2.4g/L；

所述的二号活化液包括：盐酸（HCI），浓度25.0g/L和氯化钠（NaCI），浓度140.0g/L；

所述的三号活化液包括：氯化镍（NiCl₂.6H₂O），浓度3.0g/L、柠檬酸三钠 （Na₃C₆H₅O₇.2H₂O），浓度142.2g/L、柠檬酸（H₃C₆H₅O₇），浓度94.2g/L和草酸铵（NaCI）， 浓度0.1g/L；

所述的特殊镍溶液包括：NiSO₄·7H2O，浓度400g/L、NiCl₂·6H₂O，浓度20g/L、CH₃COOH， 浓度68g/L和HCl(浓度30%)，浓度20g/L；

所述的纳米C颗粒复合Ni镀液包括：NiSO₄·6H₂O，浓度254g/L、NH₃·H₂O（NH₃含量 25％︿28％），浓度105mL/L、(NH4)₃C₆H₅O₇，浓度56g/L、CH₃COONH₄，浓度23g/L、十二 烷基硫酸钠（CH₃(CH₂)₁₀CH₂OSO₃Na），浓度0.1g/L、草酸铵（C₂H₈N₂O₄·H₂O），浓度0.1g/L 和纳米碳粉，浓度15g/L；

所述的纳米Cu颗粒复合Ni镀液包括：NiSO₄·6H₂O，浓度254g/L、NH₃·H₂O（NH₃含量 25％︿28％），浓度105mL/L、(NH₄)₃C₆H₅O₇，浓度56g/L、CH₃COONH₄、浓度23g/L、CH₃COOH， 浓度56g/L、十二烷基硫酸钠（CH₃(CH₂)₁₀CH₂OSO₃Na），浓度0.1g/L、草酸铵（C₂H₈N₂O₄·H₂O） 浓度0.1g/L、纳米铜粉，浓度5g/L和添加剂X，浓度56g/L。