本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，包括以下步驟：首先利用砂紙打磨在金屬銅基底上構(gòu)建規(guī)整微米級粗糙結(jié)構(gòu)；然后在微米級粗糙結(jié)構(gòu)表面制備高度規(guī)整的納米棒錐陣列結(jié)構(gòu)，從而在銅基底表面構(gòu)筑微納分級復(fù)合結(jié)構(gòu)；最后利用氟硅烷對具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基底進(jìn)行高溫真空氟化，即制得所述的抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面。本發(fā)明專利技術(shù)制備所得的銅基超疏水表面，水靜態(tài)接觸角165°左右，滾動角約1.0°，具有優(yōu)異的宏觀疏水性能；應(yīng)用所述超疏水表面在低溫高濕環(huán)境中進(jìn)行冷凝評估，霧化條件下依然能夠保持冷凝露滴的Cassie態(tài)接觸，具有明顯的抗霧效果。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法
本專利技術(shù)屬于化學(xué)功能材料
，涉及一種微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，特別是關(guān)于一種抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法。
技術(shù)介紹
銅及其合金因性能優(yōu)良而在國民經(jīng)濟(jì)中應(yīng)用廣泛。如大部分的凝汽器、低壓加熱器和冷油器中的換熱器件以及水冷發(fā)電機(jī)的空芯導(dǎo)線都使用銅或者銅合金；此外，海上軍事工程中，艦船水管路系統(tǒng)中使用較多的也是一些銅及銅合金。但是這些銅基材料/銅制零部件在使用過程中，大部分需要暴露在潮濕環(huán)境中，由于銅表面能較高水分子易吸附聚集從而極易造成表面的污染和腐蝕，嚴(yán)重影響了銅產(chǎn)品的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能給產(chǎn)品和設(shè)備的穩(wěn)定工作帶來了較大的危害。因此，銅基材料的抗污染、耐腐蝕工作變得至關(guān)重要！滴落在低黏附超疏水表面上的宏觀液滴能夠呈現(xiàn)表觀接觸角大于150°的Cassie態(tài)接觸，極易滾落。鑒于此，推測在低溫高濕環(huán)境中水汽極有可能在低黏附超疏水表面上形成良好的滴狀冷凝，并能迅速脫落，保持表面清潔干燥，從而達(dá)到提高傳熱和設(shè)備使用壽命的目的。這一點(diǎn)已經(jīng)得到了宋永吉等[水蒸氣在超疏水表面上的冷凝傳熱，工程熱物理學(xué)報(bào),2007,28(1):95-97]的證實(shí)。因此，低黏附超疏水表面技術(shù)使低溫高濕環(huán)境中銅基材料的抗污染性、耐腐蝕性成為可能。但是，現(xiàn)存的很多超疏水表面只對外加宏觀水滴呈低黏附超疏狀態(tài)(即Cassie態(tài))，對潮濕環(huán)境中原位形成的微小液滴或霧化液滴則呈非超疏水態(tài)(即超疏水特性在水蒸氣凝結(jié)條件下發(fā)生失效)或高黏附的超疏狀態(tài)(即Wenzel態(tài))，很難脫落。人們發(fā)現(xiàn)許多天然超疏水表面(如荷葉、芋頭葉、蝴蝶翅膀等)，正是由于其自身特殊微納結(jié)構(gòu)賦予了它們優(yōu)異的疏水性能。納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建很容易利用成本低廉的濕化學(xué)方法完成，而目前微米結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建，存在所需設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜等特點(diǎn)。但對金屬而言，砂紙機(jī)械打磨，作為一項(xiàng)簡單且環(huán)境友好型的技術(shù)，多年來主要用作表面平滑的手段，然而其具有潛在的微米和亞微米尺度的粗化表面的功能一直被忽視。結(jié)合Nosonovsky等[Roughnessoptimizationforbiomimeticsuperhydrophobicsurfaces[J].MicrosystTechnol,2005,11(7):535-549]提出的半球狀頂部柱子陣列結(jié)構(gòu)與錐體陣列結(jié)構(gòu)為最優(yōu)化的超疏水表面微觀粗糙結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。專利CN201310535080.6和CN201310532848.4涉及的ZnO納米棒錐陣列剛好滿足“半球狀頂部柱子陣列結(jié)構(gòu)與錐體陣列結(jié)構(gòu)”的條件。基于此，本專利技術(shù)結(jié)合砂紙定向打磨手段和濕化學(xué)合成納米棒錐陣列技術(shù)開發(fā)一種抗霧性能微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，該方法具有工藝簡單、條件溫和、過程綠色環(huán)保、成本低和適合工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)；制備所得的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面具有優(yōu)異的宏觀疏水性能，并且霧化條件下能夠明顯地觀察到普遍的水滴自脫附現(xiàn)象和強(qiáng)勁的滴狀冷凝現(xiàn)象，表明該表面依然能夠保持冷凝露滴的Cassie態(tài)接觸，具有明顯的抗凝露抗霧效果和良好的耐蝕性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種綠色環(huán)保、處理工序簡單、條件溫和、易操作、成本低，穩(wěn)定性好的抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中的銅基超疏水表面技術(shù)存在的處理工序復(fù)雜、成本較高、穩(wěn)定性較差、水蒸氣凝結(jié)條件下發(fā)生超疏水特性失效等的技術(shù)問題。本專利技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，包括以下步驟：首先利用砂紙打磨在金屬銅基底上構(gòu)建規(guī)整微米級粗糙結(jié)構(gòu)；然后在微米級粗糙結(jié)構(gòu)表面制備納米棒錐陣列結(jié)構(gòu)，從而在銅基底表面構(gòu)筑微納分級復(fù)合結(jié)構(gòu)；最后利用氟硅烷對具有微納分級復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基底進(jìn)行高溫真空氟化，即制得所述的抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面；一種抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，該方法具體包括以下步驟：1)微米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建：分別利用單一型號砂紙按單一方向進(jìn)行定向打磨，在金屬銅片表面構(gòu)建規(guī)整微米溝槽；或用兩種不同型號砂紙的組合打磨的方法在金屬銅片表面構(gòu)建規(guī)整微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)陣列；2)基底清洗：將砂紙打磨過的銅片依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗；隨后依次用自來水和去離子水沖洗；最后，用無水乙醇淋洗，冷風(fēng)吹干，備用；3)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建：在清洗過的構(gòu)建有規(guī)整微米結(jié)構(gòu)的銅基底表面上制備ZnO納米棒錐陣列(陣列制備方法參考專利CN201310532848.4和CN201310535080.6中的教導(dǎo)完成)，構(gòu)建出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列；4)表面改性：將制備好的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列放入底部事先滴有氟硅烷的廣口試劑瓶中，密封后置于真空干燥箱中，150-200℃下真空氟化1-2h。本專利技術(shù)所述抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，其進(jìn)一步技術(shù)方案可以為，步驟1)所述砂紙為水磨砂紙，型號為80#(粒度約178μm)、240#(粒度約63μm)、600#(粒度約14μm)和1200#(粒度約5μm)；所述組合打磨是指先利用砂紙打磨出經(jīng)線，再用砂紙打磨出緯線，得到組合打磨的微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；經(jīng)線打磨所用砂紙的粒度大于緯線打磨所用砂紙的粒度，即先用粗砂紙打磨經(jīng)線，再用細(xì)砂紙打磨緯線。本專利技術(shù)先利用粗砂紙打磨出經(jīng)線，再用細(xì)砂紙打磨出緯線，得到組合打磨的6種微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)：(80#-240#)微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、(80#-600#)微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、(80#-1200#)微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、(240#-600#)微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、(240#-1200#)微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和(600#-1200#)微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)所述抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，其進(jìn)一步技術(shù)方案可以為，步驟(2)中基底清洗：將用砂紙新打磨好的銅箔基底依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗5min-10min，去除表面的粉塵和油污；隨后依次用自來水和去離子水沖洗；最后，為防止干燥過程中的再次氧化，而采用無水乙醇淋洗，冷風(fēng)吹干的方法。本專利技術(shù)所述抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，其進(jìn)一步技術(shù)方案可以為，步驟3)中微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建可由微米結(jié)構(gòu)銅基底與發(fā)散ZnO納米棒錐復(fù)合，包括以下步驟，將清洗好的構(gòu)建有規(guī)整微米溝槽結(jié)構(gòu)或微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)陣列的銅基底表面水平向下懸浮液于Zn(NO3)2·6H2O和KOH配制的[Zn(OH)4]2-水溶液中，之后密封好反應(yīng)容器；再將其置于35℃的電熱恒溫水槽中，水浴條件下生長，即可得到微米結(jié)構(gòu)與ZnO納米棒錐復(fù)合的分級復(fù)合結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)所述抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，其進(jìn)一步技術(shù)方案可以為，步驟3)中微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建可由微米結(jié)構(gòu)銅基底與高度規(guī)整的ZnO納米棒錐復(fù)合，包括以下步驟，首先，在構(gòu)建有規(guī)整微米溝槽結(jié)構(gòu)或微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)陣列的銅基底表面制備納米ZnO晶種層；再將制備有晶種層的基底表面水平向下懸浮液于Zn(NO3)2·6H2O和KOH配制的[Zn(OH)4]2-水溶液中，之后密封好反應(yīng)容器；再將其置于35℃的電熱恒溫水槽中，水浴條件下生長，即可得到微米結(jié)構(gòu)與高度規(guī)整ZnO納米棒錐復(fù)合的分級復(fù)合結(jié)構(gòu)。從提高疏水性的角度，優(yōu)化了氟化條件、ZnO納米棒錐陣列生長條件和晶種層制備條件如下：優(yōu)選的，步驟3)中微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建可由微米結(jié)構(gòu)銅基底與發(fā)散Z本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，包括以下步驟：首先利用砂紙打磨在金屬銅基底上構(gòu)建規(guī)整微米級粗糙結(jié)構(gòu)；然后在微米級粗糙結(jié)構(gòu)表面制備納米棒錐陣列結(jié)構(gòu)，從而在銅基底表面構(gòu)筑微納分級復(fù)合結(jié)構(gòu)；最后利用氟硅烷對具有微納分級復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基底進(jìn)行高溫真空氟化，即制得所述的抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面；具體包括以下步驟：1)微米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建：分別利用單一型號砂紙按單一方向進(jìn)行定向打磨，在金屬銅片表面構(gòu)建規(guī)整微米溝槽；或用兩種不同型號砂紙的組合打磨的方法在金屬銅片表面構(gòu)建規(guī)整微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)陣列；2)基底清洗：將砂紙打磨過的銅片依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗；隨后依次用自來水和去離子水沖洗；最后，用無水乙醇淋洗，冷風(fēng)吹干，備用；3)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建：在清洗過的構(gòu)建有規(guī)整微米結(jié)構(gòu)的銅基底表面上制備ZnO納米棒錐陣列，構(gòu)建出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列；4)表面改性：將制備好的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列放入底部事先滴有氟硅烷的廣口試劑瓶中，密封后置于真空干燥箱中，150?200℃下真空氟化1?2h。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，包括以下步驟：首先利用砂紙打磨在金屬銅基底上構(gòu)建規(guī)整微米級粗糙結(jié)構(gòu)；然后在微米級粗糙結(jié)構(gòu)表面制備納米棒錐陣列結(jié)構(gòu)，從而在銅基底表面構(gòu)筑微納分級復(fù)合結(jié)構(gòu)；最后利用氟硅烷對具有微納分級復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基底進(jìn)行高溫真空氟化，即制得所述的抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面；具體包括以下步驟：1)微米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建：分別利用單一型號砂紙按單一方向進(jìn)行定向打磨，在金屬銅片表面構(gòu)建規(guī)整微米溝槽；或用兩種不同型號砂紙的組合打磨的方法在金屬銅片表面構(gòu)建規(guī)整微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)陣列；2)基底清洗：將砂紙打磨過的銅片依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗；隨后依次用自來水和去離子水沖洗；最后，用無水乙醇淋洗，冷風(fēng)吹干，備用；3)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建：在清洗過的構(gòu)建有規(guī)整微米結(jié)構(gòu)的銅基底表面上制備ZnO納米棒錐陣列，構(gòu)建出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列；4)表面改性：將制備好的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列放入底部事先滴有氟硅烷的廣口試劑瓶中，密封后置于真空干燥箱中，150-200℃下真空氟化1-2h。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，其特征在于：步驟1)所述砂紙為水磨砂紙，型號為80#、240#、600#、1200#；所述組合打磨是指先利用砂紙打磨出經(jīng)線，再用砂紙打磨出緯線，得到組合打磨的微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；經(jīng)線打磨所用砂紙的粒度大于緯線打磨所用砂紙的粒度。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗霧微納復(fù)合結(jié)構(gòu)銅基超疏水表面的制備方法，其特征在于：步驟3)中微納復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)建可由微米結(jié)構(gòu)銅基底與發(fā)散ZnO納米棒錐復(fù)合，包括以下步驟，將清洗好的構(gòu)建有規(guī)整微米溝槽結(jié)構(gòu)或微米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)陣列的銅基底表面水平向下懸浮液于Zn(NO3)2·6H2O和KO...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：夏詠梅，余新泉，盧雅琳，李小平，孫順平，張友法，
申請(專利權(quán))人：江蘇理工學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32
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