一种低粗糙度的钛合金超疏水表面的制备方法

摘要

本发明一种在钛合金上制备低粗糙度的超疏水表面的方法，本发明属于金属材料表面处理领域，涉及一种在碱性溶液中利用电化学阳极氧化来制备钛合金超疏水表面的工艺方法。该方法是通过在碱性溶液中电化学阳极氧化来制备低粗糙度的钛合金超疏水表面，先用金相砂纸打磨钛合金，再将打磨后的钛合金分别放入丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，以除去油污。将作为阳极的钛合金板和作为阴极的石墨板，平行对称放置，并分别通过导线与直流电源连接，钛合金接正极，石墨接负极。然后进行阳极氧化，氧化结束后将钛合金放入去离子水中超声清洗。本发明工艺简单，经济高效，可控性好，特别是制得的超疏水表面具有低的粗糙度。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面处理领域，特别涉及一种在碱性溶液中 利用电化学阳极氧化来制备钛合金超疏水表面的工艺方法。

背景技术

超疏水表面是指与水滴的接触角大于150°，滚动角小于10°的 表面，具有自清洁、抗腐蚀、抗结冰、水流减阻等特性。超疏水表面 应用于金属材料上，可以起到防污、防锈、防结冰的作用；应用于船 舰外壳或管道内壁，可以有效减小与水流之间的摩擦阻力。钛合金具 有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，在航空、化工、运输、 航海等许多工业中有着十分重要的应用。因此，将超疏水特性与钛合 金本身特性相结合，制备钛合金超疏水表面有着极其重要意义。

目前，金属基体上超疏水表面是主要通过先构造表面微纳米粗糙 结构，再用低表面能物质修饰来制备。就钛或钛合金而言，通常由化 学方法或电化学方法制备表面粗糙结构，常用氟硅烷、硬脂酸、棕榈 酸、月桂酸等来降低表面能。化学方法通常用酸腐蚀钛合金或用化学 镀来构建粗糙结构，然后低表面能物质修饰制备超疏水表面。化学方 法的优点是不需要特殊仪器设备，方法简单易行。但由于化学腐蚀与 晶型有关，受晶格限制，而化学镀与材料表面活泼性相关，因此该方 法对材料的限制较严，并且反应可控性较差。电化学方法一般是通过 阳极刻蚀或阳极氧化制备粗糙结构，然后低表面能物质修饰制备超疏 水表面。电化学方法的优点是受材料限制较小，易于产生纳米级粗糙 结构，并且可控性较好。但由于阳极刻蚀的不均匀容易导致表面粗糙 度Ra较大，一般粗糙度Ra约为1～3μm。阳极氧化则通常在酸性溶 液或有机溶剂中进行，并且需要较长反应时间。如中国专利号CN 102618913A公开了一种在NaCl或NaBr溶液中对钛或钛合金进行阳 极刻蚀构建微纳米粗糙结构，氟硅烷修饰后制得超疏水表面的方法， 该方法效率较高，但由于阳极刻蚀的不均匀容易导致表面粗糙度较大； Zhang等人在F.Zhang,S.Chen,L.Dong,Y.Lei,T.Liu,Y.Yin, Appl.Surf.Sci.2011,257,2587中，先将纯钛放入含有氟化铵 的乙二醇溶液中进行5小时阳极氧化，再用低表面能物质修饰来制得 超疏水钛表面，该方法加工时间长，效率较低；Lin等人在Y.K.Lai, C.J.Lin,J.Y.Huang,H.F.Zhuang,L.Sun,T.Nguyen,Langmuir. 2008,24,3867中，利用电化学阳极氧化法制备超疏水钛表面，以 铂金作为阴极，氢氟酸为电解液，由于铂金是贵重金属，使得该方法 成本较高。

发明内容

本发明是为克服现有技术的不足，发明了一种通过阳极氧化来制 备低粗糙度的钛合金超疏水表面的方法，该方法是先在碱性电解液中 通过电化学阳极氧化在钛合金表面上构造微米级的孔洞结构，再利用 低表面能物质修饰来制得超疏水表面。该发明简单易行、经济高效。

本发明采用的技术方案是一种低粗糙度的钛合金超疏水表面的 制备方法，其特征是，制备方法通过在碱性溶液中电化学阳极氧化来 制备低粗糙度的钛合金超疏水表面，方法的具体步骤如下：

1)将钛合金板3和石墨板7均切成20mm×30mm，但实际加工面 积为20mm×20mm，剩余部分用作装夹和导电；先用#1500金相砂纸 打磨钛合金，再将打磨后的钛合金分别放入丙酮、乙醇、去离子水中 超声清洗3min，以除去油污；

2)将作为阳极的钛合金板3和作为阴极的石墨板7，平行对称 放置，并分别通过导线与直流电源1连接，钛合金接正极，石墨接负 极；然后将阴极和阳极共同放入由NaOH和H2O2组成的碱性电解液4 中，用10～15V恒定电压进行阳极氧化30～60min，氧化结束后将钛 合金放入去离子水中超声清洗，吹干待用；

3)将被氧化的钛合金放入配置好的质量分数为1％的氟硅烷乙醇 溶液中浸泡2h；取出后放入120℃烘箱中烘烤20min，冷却到室温， 得到具有低粗糙度的钛合金超疏水表面。

本发明的有益效果是采用NaOH和H2O2均为普通化学试剂，并且 只需三十分钟就能得到超疏水表面所需要的微观粗糙结构；制备的超 疏水表面具有低的粗糙度和好的疏水性能，粗糙度Ra仅为0.669μm, 对水滴的接触角为158.5°，滚动角为5.3°。工艺方法简单易行， 无需复杂加工仪器和操作步骤，适宜大面积制备，经济高效。

附图说明

图1为加工装置示意图。其中：1-直流电源、2-夹具装置、3- 钛合金板、4-电解液、5-磁力搅拌器、6-搅拌转子、7-石墨板、8- 容器。

图2为制得的钛合金超疏水表面对水滴润湿性的示意图。θ和 β分别为钛合金超疏水表面对水滴的接触角和滚动角，1-水滴、2- 超疏水钛合金板

图3为实施例1制得的钛合金超疏水表面放大5000倍的扫描电 镜图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施。该实施例 所需的加工装置如附图1所示，钛合金板3和石墨板7平行正对放置， 并固定在夹具装置2上。钛合金板3和石墨板7分别通过导线连接在 直流电源1的正极和负极上。磁力搅拌器5的作用是使反应中的电解 液更加均匀。钛合金超疏水表面对水滴的润湿性如附图2所示，将 5μL水滴1随机滴在水平放置的超疏水钛合金板2上，水滴近似于 球形，θ为该超疏水表面对水滴的接触角，滚动角β为使水滴开始 滚动时，超疏水钛合金板2板所需要倾斜的最小角度。

实施例1

1)将钛合金(Ti-6Al-4V)板和石墨板均切成20mm×30mm，但 实际加工面积为20mm×20mm，剩余部分用作装夹和导电。加工前， 先用1500#砂纸打磨钛合金板，然后依次在丙酮、乙醇、去离子水中 超声清洗3min，去除油污。

2)将钛合金板跟石墨板平行正对放置，间隔15mm，用导线将两 板与直流电源相接，钛合金板接正极，石墨板接负极。同时将两板放 入盛有1.5mol/L的NaOH和0.15mol/L的H2O2混合溶液中，打开磁力 搅拌器(1000r/min)，接通直流电源，电压固定在10V。氧化时间为 30min，加工时溶液温度约为室温(25℃)。

3)加工完成后，先将钛合金板放入去离子水中超声清洗3min， 吹干。再将样件放入配置好的质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中浸 泡2h，最后将样件放入烘箱中，在120℃下烘20min。取出样件冷却 到室温，可得到钛合金超疏水表面。

钛合金超疏水性表面的扫描电子显微镜照片如附图3所示，表面 为无规则分布的孔洞结构，孔径大小为5～10μm。该超疏水表面粗 糙度Ra仅为0.669μm,按附图2所示，可测得该超疏水表面对水滴 的接触角为158.5°，滚动角为5.3°。

实施例2

按实施例1的操作与步骤，将氧化时间改为60min。所得到的钛 合金超疏水表面微观形貌无明显变化，为孔洞结构，孔径大小也为5～ 10μm。该超疏水表面粗糙度Ra为0.822μm,对水滴的接触角为 158.8°，滚动角为5.1°。

实施例3

按实施例1的操作与步骤，将恒定电压改为15V。所得到的钛合金超 疏水表面仍为无规则分布的孔洞结构，孔洞大小为5～10μm。该超 疏水表面粗糙度Ra为0.785μm,对水滴的接触角为157.8°，滚动角 为5.6°。