一种仿生防粘表面及其制备方法与流程

本发明属于仿生脱附结构领域，具体涉及一种仿生防粘表面及其制备方法。

背景技术：

近年来，碳纤维预浸料复合材料因其高比强度、高比刚度以及优良的导热、导电和耐腐蚀等性能，被广泛应用于航空航天、运动器材、建筑工业及电磁屏蔽等多个领域。

在碳纤维/环氧树脂预浸料的生产过程中，通常将预浸料切割成所需尺寸并置入模具中以制造具有复杂形状的部件。但由于环氧树脂具有高粘性(在20℃下，粘度是水的1000-50000倍)，使得短切刀具和模具表面粘附大量环氧树脂和纤维，不仅造成额外的能量损耗，而且严重影响预浸料成型工艺且增加了后期清理难度和费用。

为能够有效解决工业和生活中的粘附问题，一些防粘附的结构或涂层受到了广泛关注，如中国专利申请cn201610531105.9公开了一种防粘附切刀的制作工艺，利用冲压在切刀表面形成防粘槽，有效解决了切菜过程中刀面的粘附问题，但这种冲压槽无法有效解决高粘度树脂的粘附问题。中国专利cn201610520973.7公开了一种防止滚筒表面粘附的处理方法，通过在滚筒表面喷涂特氟龙涂层，能够有效降低表面的杂质粘附，防止滚筒被腐蚀，提高了使用效率和节约了维护成本，但是现有涂层强度低、易脱落的问题，使得涂层应用具有局限性。针对碳纤维预浸料成型过程中树脂的粘附问题，目前还缺乏一种行之有效的解决方法。短切刀具和模具表面的脱附性、高强度和耐腐蚀等性能成为了预浸料加工成型工艺中亟待解决的关键性问题。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明提供一种仿生防粘表面及其制备方法，使得短切刀具和模具表面能够有效的减少或降低树脂和纤维的粘附量，并能够适用于其他防止高黏度液体粘连的应用场合。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案。

一种仿生防粘表面，以自然界中具有“乳突”状微结构超疏性表面的荷叶为模仿对象，在钢材表面加工微纳米级“乳突”状结构，并利用化学法修饰降低钢材表面能，使得钢材表面具有树脂脱附性能。

所述仿生防粘表面，其制备方法包括以下步骤：

步骤一将钢材切片，然后进行打磨抛光，得到粗坯一；

步骤二将所述粗坯一依次用去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声波清洗，干燥后得到粗坯二；

步骤三利用纳秒激光对粗坯二进行加工，调整激光功率、扫描速率、扫描速度等参数，并将激光焦点置于粗坯二表面，得到粗坯三；

步骤四将所述粗坯三浸入酸性除锈剂中，并用塑料刷刷洗加工表面，然后依次用去离子水、无水乙醇进行超声波清洗，得到粗坯四；

步骤五将所述粗坯四浸入氟硅烷(c13h13f17o3si)和无水乙醇的混合溶液中反应一段时间，然后经无水乙醇清洗，干燥得到成品。

作为优选的，步骤一中，钢材型号为w18cr4v。

作为优选的，步骤一中所述钢材要先切割成40×40mm方形样片，再将样片依次用300#、500#、800#、1200#、2000#砂纸进行打磨抛光。

作为优选的，步骤二、五中所述干燥是在真空或氮气氛围中进行。

作为优选的，步骤三中“乳突”状结构加工直径100-500μm、加工间距100-500μm、激光扫描速率为100-800mm/s。

作为优选的，步骤三中，“乳突”状结构加工直径100μm。

作为优选的，步骤三中，“乳突”状结构加工间距100μm。

作为优选的，步骤三中，激光扫描速率100mm/s。

最优选的，步骤三中“乳突”状结构加工直径100μm、加工间距100μm、激光扫描速率为100mm/s。

作为优选的，步骤四中粗坯三浸入酸性除锈剂的时间为4～6min。

作为优选的，步骤五中浸渍所用氟硅烷与无水乙醇的体积比为1:10。

作为优选的，步骤五中粗坯四浸入混合溶液中反应的时间为2.5～3h。

作为优选的，步骤五中样品干燥的温度为70～80℃，干燥的时间为20～30min；进一步优选干燥温度为80℃，干燥时间为30min。

由以上所述的制备方法制得的一种仿生防粘表面。

本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明选材为钨系高速钢w18cr4v，该钢材具有高硬度、高耐磨性和红硬性；所述步骤一中，利用不同砂纸对钢材表面进行打磨抛光，去除表面氧化层并使得钢材表面具有一定的平整度，保证激光加工的结构大小和间距均匀；所述步骤二、五中，在真空或氮气氛围中烘干钢材，避免在加热过程中钢材表面出现氧化层，影响成品质量；所述步骤三中，利用纳秒激光对钢材表面进行刻蚀，对加工部位周围材料的热影响较小，且部分熔融金属颗粒附着在“乳突”上，形成微纳分级结构，从wenzel模型转化为cassie模型更易排斥黏性液体；所述步骤四中，利用酸性除锈剂去除加工表面高温氧化层，反应时间为4～6min，避免长时间反应腐蚀“乳突”结构；所述步骤五中，氟硅烷(c13h13f17o3si)的硅烷基水解生成硅羟基，而金属表面具有亲水性，硅羟基与钢片表面羟基发生脱水反应，使得氟硅烷分子以共价键的形式连接在钢片表面上，降低了钢材的表面能，使得成品能够有效防止树脂等黏性液体的附着。本发明的防粘表面制备方法简单，可操作性强，具有优良的防树脂粘附能力，可应用于碳纤维/环氧树脂预浸料生产过程中的刀具、模具表面和其他防黏性液体粘附场合等。

附图说明

图1为氟硅烷与微纳米“乳突”结构钢材表面共价键连接示意图。

图2为本发明实施例3中制得的脱附效果最优的高速钢表面微结构扫描电镜图。

图3为本发明实施例3中制得的脱附效果最优的高速钢表面微结构超景深显微镜图。

图4为体积4μl环氧树脂液滴在实施例3中制得的脱附效果最优的高速钢表面状态图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明仿生防粘表面中氟硅烷与微纳米“乳突”结构钢材表面共价键连接示意图如图1所示，其中，1为氟硅烷分子非极性疏水长链；2为高速钢基底；3为高速钢表面微纳米“乳突”状结构；4为氟硅烷与高速钢表面结合的共价键。

实施例1

一种仿生防粘表面，其制备过程具体步骤如下：

步骤一选用钨系高速钢w18cr4v，将钢材切割成40×40mm方形样片，再将样片依次用300#、500#、800#、1200#、2000#砂纸进行打磨抛光，去除钢材表面氧化层并保证表面具有一定的平整度，得到粗坯一；

步骤二将所述粗坯一依次用去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声波清洗，去除钢材表面杂质和油污，并真空干燥后得到粗坯二；

步骤三利用纳秒激光加工不同直径的“乳突”结构，直径分别为100μm、200μm、300μm、400μm、500μm，间距为100μm，激光扫描速率200mm/s，获得粗坯三。

步骤四将粗坯三浸入酸性除锈剂5min，并用塑料刷刷洗加工表面，去除加工表面高温氧化层，然后依次用去离子水、无水乙醇进行超声波清洗，得到粗坯四；

步骤五将粗坯四浸入氟硅烷(c13h13f17o3si)和无水乙醇的混合溶液中3h，然后在80℃条件下真空干燥30min，得到最终样品。

在此实施例中，对最终样品进行了水和树脂的接触角、滚动角测试，水和树脂液滴体积为4μl。测试结果为“乳突”直径为100μm，间距为100μm，激光扫描速率为200mm/s的样品表面排斥水和树脂的效果最优，其水接触角和滚动角分别为155.3°和3.3°，树脂接触角和滚动角分别为147.1°和10.4°。因此本实施例中制备的“乳突”直径为100μm，间距为100μm，激光扫描速率为200mm/s的样品表面具有较好防树脂粘附效果。

实施例2

与实施例1的不同点在于，步骤三中，激光加工“乳突”结构直径为100μm，间距分别为100μm、200μm、300μm、400μm、500μm，扫描速率为200mm/s。

在此实施例中，对最终样品进行了水和树脂的接触角、滚动角测试，水和树脂液滴体积为4μl。测试结果为“乳突”直径为100μm，间距为100μm，激光扫描速率为200mm/s的样品表面排斥水和树脂的效果最优，其水接触角和滚动角分别为155.3°和3.3°，树脂接触角和滚动角分别为147.5°和9.4°。因此本实施例中制备的“乳突”直径为100μm，间距为100μm，激光扫描速率为200mm/s的样品表面具有较好防树脂粘附效果。

实施例3

与上述实施例1的不同点在于，步骤三中，激光加工“乳突”结构直径为100μm，间距分别为100μm，扫描速率为800mm/s、400mm/s、300mm/s、200mm/s、100mm/s。

在此实施例中，对最终样品进行了水和树脂的接触角、滚动角测试，水和树脂液滴体积为4μl。测试结果为“乳突”直径为100μm，间距为100μm，激光扫描速率为100mm/s的样品表面排斥水和树脂的效果最优，其水接触角和滚动角分别为157.2°和2.8°，树脂接触角和滚动角分别为149.7°和7.3°。因此本实施例制备的仿生突起结构钢材表面具有较好防树脂粘附效果。且与实施例1、2中的最优样品表面相比，该样品的测试效果更好。图2为“乳突”直径为100μm，间距为100μm，激光扫描速率为100mm/s的样品表面扫描电镜图像；图3为该样品表面微结构超景深显微镜图像；图4为体积4μl环氧树脂液滴在该样品表面状态图。

对比例1

一种未构筑仿生“乳突”结构表面，其制备过程具体步骤如下：

步骤一选用钨系高速钢w18cr4v，将钢材切割成40×40mm方形样片，再将样片依次用300#、500#、800#、1200#、2000#砂纸进行打磨抛光，去除钢材表面氧化层并保证表面具有一定的平整度，得到粗坯一；

步骤二将所述粗坯一依次用去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声波清洗，去除钢材表面杂质和油污，并真空干燥后得到最终样品。

在此对比例中，样品表面水和树脂的接触角分别为84.1°和59.6°，将样品呈90°放置，水和树脂仍粘附的样品表面，可见该对比例制备的光滑表面其防树脂粘附能力远差于实施例1、2、3，本发明中的仿生“乳突”结构和氟硅烷(c13h13f17o3si)结合处理使钢材表面的防粘附性能得到了很大提升。

对比例2

一种未构筑仿生“乳突”结构表面，其制备过程具体步骤如下：

步骤一选用钨系高速钢w18cr4v，将钢材切割成40×40mm方形样片，再将样片依次用300#、500#、800#、1200#、2000#砂纸进行打磨抛光，去除钢材表面氧化层并保证表面具有一定的平整度，得到粗坯一；

步骤二将所述粗坯一依次用去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声波清洗，去除钢材表面杂质和油污，得到粗坯二；

步骤三将粗坯二浸入氟硅烷(c13h13f17o3si)和无水乙醇的混合溶液中3h，然后在80℃条件下真空干燥30min，得到最终样品。

在此对比例中，样品表面水和树脂的接触角分别为107.7°和79.6°，将样品呈90°放置，水和树脂仍粘附的样品表面，可见该对比例制备的光滑表面其防树脂粘附能力远差于实施例1、2、3，本发明中的仿生“乳突”结构和氟硅烷(c13h13f17o3si)结合处理使钢材表面的防粘附性能得到了很大提升。

表1对实施例1～3和对比例1、2的重要参数和技术效果进行了总结。

表1

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等形式，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明权力要求的保护范围之内。