一种钛合金基体耐久性水下超疏油表面的制备方法

摘要

一种钛合金基体耐久性水下超疏油表面的制备方法，属于金属材料表面处理技术领域。该方法是在由NaCl和H

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金基体耐久性水下超疏油表面的制备方法，属于金属材料表面处理技术领域。

背景技术

水下超疏油表面是指在油/水/固三相体系中，油滴在其上的接触角大于150，滚动角小于10度的表面。通常情况下，普通超疏油表面并不具有水下超疏油特性，一旦置于在水中，该表面就会丧失超疏油性，变成亲油表面。水下超疏油表面因具有水中自清洁、防油污、耐腐蚀等特性，因此与普通超疏油表面相比，水下超疏油表面拓展了超疏油表面在船舶、海洋设备防油污、油水分离等领域的应用。

一般来说，制备水下超疏油表面的两个关键因素是亲水性的化学组成和微纳米级的粗糙结构，因此，在空气中具有超亲水性的表面通过构造粗糙结构可用于水下超疏油表面的制备。申请号为200710303779.4的专利申请公开了一种水下超疏油聚合物膜及其制备方法，以鱼鳞作为模板，通过聚二甲基硅氧烷和聚合物的单体溶液原位聚合依次赋形，得到具有鱼鳞结构的聚合物膜，该复合膜在水下对油的接触角大于150度。申请号为200910012618.9的专利申请公开了一种采用自组装和异相成核两种技术，先将玻璃基片浸泡在壳聚糖的乙酸溶液中，再浸泡在纳米二氧化硅的氢氧化钠溶液中，制得的表面粗糙结构在水下与十六烷、三氯甲烷的接触角都大于170度。此外申请号为201210230606.5、201310027762.6、201310309217.6、201310311255.5、201410160316.7、201410604794.2的专利申请也公开了一些制备水下超疏油表面的方法。综合这些方法来看，水下超疏油表面的制备大部分集中在玻璃或硅基体上利用亲水性高分子聚合物来构建粗糙结构，而在金属基体上制备水下超疏油表面的方法较少。

Li等采用喷涂法在不锈钢网基体上喷涂一层含ZnO纳米颗粒的悬浊液，室温下晾干后，获得的表面在水下对三氯甲烷的接触角为155度，滚动角为10度（JLin,LYan,WLi,JLi,FZha,ZLei,MaterialsLetters,2015,153,62.）。Nishimoto等将钛片放在含3vol%去离子水的0.3MNH₄F溶液中进行阳极氧化20分钟，然后煅烧1小时，获得的表面在水下对十六烷的接触角大于165度（SNishimoto,YSawai,YKameshima,MMiyake,ChemistryLetters,2014,43,518.）。并且该组进一步采用酸刻蚀对钛片进行腐蚀，获得的粗糙表面在水下对十六烷、十二烷、庚烷的接触角均大于150度（SNishimoto,YSawai,YKameshima,MMiyake,ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects,2015,464,33.）。上述方法在金属基体上所制得的表面具有良好的水下超疏油特性，但存在一些不足，比如使用的化学试剂对环境污染、需要特殊仪器、对操作人员有害以及制备时间长等等。因此，研究一种工艺简单、低成本、对环境无污染的方法，对于在钛合金基体上制备水下超疏油表面具有重要的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、低成本、对环境无污染的钛合金基体耐久性水下超疏油表面的制备方法。该制备方法通过电化学刻蚀在钛合金基体上刻蚀出微纳米级粗糙结构以获得水下超疏油表面。

本发明采用的技术方案是：一种钛合金基体耐久性水下超疏油表面的制备方法，采用下列制备步骤：

（1）用1500号金相砂纸打磨20mm×30mm×3mm的钛合金片（Ti-6Al-4V），再放入丙酮、无水乙醇、去离子水中依次超声清洗3min去除表面油污；

（2）钛合金片作为阳极，石墨板作为阴极，平行对称放置，间距为15mm，阳极和阴极实际有效尺寸均为20mm×20mm，其余部分用于装夹和导电，选用0.5mol/L的NaCl和0.5mol/L的H₂O₂混合溶液做电解液；通过导线与直流电源连接，钛合金片接正极，石墨板接负极，在恒定电流密度下对钛合金片表面进行电化学刻蚀，室温下，电解液始终处于磁搅拌状态，搅拌速度为700r/min，刻蚀电流密度固定为1A/cm²，时间为10-30min；刻蚀完成后，将钛合金片放入去离子水中进行超声清洗，取出吹干后便得到钛合金基体水下超疏油表面。

本发明的有益效果是：与现有的金属基体水下超疏油表面的制备技术相比，具有以下优点：

（1）采用的NaCl和H₂O₂均为中性试剂，成本低，对环境无污染，并且对操作人员的危害小，经济高效；

（2）操作简单易行，加工十五分钟就能获得水下超疏油表面所需的微纳米粗糙结构，效率高；

（3）在钛合金基体上所制得的水下超疏油表面在水中对二氯甲烷的接触角为158.9度，滚动角小于10度，该表面具有良好的水下耐久性和耐腐蚀特性，可用于钛合金表面的水下防油污和防腐蚀；

（4）得到的钛合金基体水下超疏油表面不仅在空气中和紫外线光照射12周后仍具有水下超疏油性的良好耐久性，而且在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡两个月后该表面在水中依然保持超疏油的特性。

附图说明

图1是制得的钛合金水下超疏油表面放大5000倍的扫描电镜图。

图2是制得的钛合金水下超疏油表面放大20,000倍的扫描电镜图。

图3是制得的钛合金水下超疏油表面的空气中亲水示意图。

图4是制得的钛合金水下超疏油表面的的水下疏油示意图。

图5是制得的钛合金水下超疏油表面的Taylor粗糙度示意图。

具体实施方式

实施例1

（1）预处理工艺：将钛合金片(20mm×30mm×3mm)用1500号金相砂纸打磨，然后依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗3min；

（2）电化学刻蚀：将预处理的钛合金片作为阳极，与钛合金片具有相同面积的石墨板作为阴极，其中实际有效尺寸（刻蚀区域）为20mm×20mm，剩余部分用于装夹和导电，两电极平行对称放置，阳极通过导线与直流电源正极相连，阴极与负极相连，将两电极放入由0.5mol/LNaCl和0.5mol/LH₂O₂组成的混合中性电解液中，接通电源开始进行电化学刻蚀，刻蚀电流密度恒定在1A/cm²，刻蚀时间为15min，刻蚀过程中电解液始终处于磁搅拌状态（搅拌速度为700r/min），加工温度为室温，电化学刻蚀完成后，将钛合金片放入去离子水中进行超声清洗，取出后吹干即可得到水下超疏油表面。

采用上述的技术方案，获得的钛合金水下超疏油表面的扫描电子显微镜照片如附图1和2所示，表面存在大量不规则的凹坑和空腔结构，尺寸大小为1-3μm，微米级结构上还存在凹面和突起结构，尺寸在100-500nm之间。该表面粗糙度Ra为17.101μm。附图3为在空气中水滴落在该表面上的静态接触角图片，水滴在其上的接触角为0度。附图4为在水中油滴落在该表面上的静态接触角图片，在水中对二氯甲烷的接触角为158.9度，滚动角为6.4度。附图5为实施例1制得的钛合金水下超疏油表面的粗糙度示意图。