一种三维网状超疏水表面的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超疏水表面制备技术领域，涉及一种三维网状超疏水表面的制备方法。
【背景技术】
[0002]表面润湿性是固体表面的一个重要特征，主要由表面化学组成和表面微观结构共同决定。一般用接触角表征液体在固体表面的润湿性，通常把与水的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面称为超疏水表面。超疏水表面因其特殊的浸润性而广泛应用于建筑玻璃、交通运输、生物医学等领域。因此，研究超疏水表面的制备具有非常重要的意义和广阔的应用前景。
[0003]不锈钢作为一种常见的工程技术材料，在工农业生产和我们的日常生活中应用十分广泛。然而不锈钢腐蚀问题是限制其广泛应用的关键因素，如果赋予不锈钢表面超疏水性，就可以赋予其更多优异性能，如抗腐蚀、自清洁、减阻、防冰等。
[0004]康志新等[CN200810220287.3]采用化学刻蚀与有机镀膜相结合的方法在镁、铜、不锈钢等金属表面制备出一层致密的超疏水有机纳米薄膜。张芹等[CN200910111202.2]采用化学腐蚀与电化学腐蚀相结合的方法在金属铝基底上构筑粗糙结构，然后把铝片浸入氟硅烷乙醇溶液中修饰改性，得到超疏水铝表面，水滴在其表面的接触角达15 4 °。此外，[CN201410631219.1，CN201410145166.2，CN201410114866.5，US20100749266，US201113081421 ]也通过电化学法、模板法、溶胶-凝胶法等方法得到超疏水表面。
[0005]现有的超疏水表面的制备主要从两个方面入手:构筑表面微结构和降低表面自由能；具体包括电化学法、气相沉积法、模板法、溶胶-凝胶法、自组装法、等离子体刻蚀法等[江雷，冯琳.仿生智能纳米界面材料.北京:化学工业出版社，2007] [US20110985581，KR20150100593，US201113287461]。但这些方法均存在其各自的局限性，如制备工艺复杂、原料和加工设备昂贵、制备周期长、稳定性差等，使得超疏水表面难以在实际生产中实现大规模应用。因此，亟需发明一种简单实用的方法构筑超疏水表面。
[0006]我们通过一步法制备超疏水表面，把化学刻蚀和表面改性结合在一步完成，既增加了表面粗糙度又降低了表面自由能，从而使得基底具备超疏水性，有效地解决了以上问题。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提供一种三维网状超疏水表面的制备方法，该方法将化学刻蚀与表面改性相结合，操作简单，成本低廉，制得的超疏水表面具有优异的超疏水性和良好的抗腐蚀性。
[0008]为实现上述目的，本方案的技术方案是:
[0009]本发明利用化学刻蚀和表面改性相结合的一步法制备超疏水表面，其具体的实施工艺如图1所示，把表面改性物质加入刻蚀溶液中配成混合溶液，然后将基底浸入混合溶液中刻蚀一段时间后得到超疏水表面，该表面具有良好的抗腐蚀性能，该方法主要包括如下步骤:
[0010]第一步，基底表面的清洁处理；
[0011]用清洗剂对基底表面进行超声清洗，清洗后用氮气吹干，待用，超声功率为50?150￥，每次5?1511^11;
[0012]所述的清洗剂包括氯仿、丙酮、无水乙醇或去离子水；
[0013]所述的基底包括石英、玻璃、金属、合金、单晶硅片、多晶硅片、云母片、单层薄膜材料修饰的氧化硅、多层薄膜材料的修饰氧化硅、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或重氮光刻胶聚合物；
[0014]所述的金属包括铁、镁、铝、铜、钛、锂、镍、锌或锡;所述的合金包括不锈钢、碳钢、锂-镁合金、招合金或锌合金等。
[0015]第二步，超疏水表面的制备；
[0016]在去离子水中加入刻蚀剂，配制成0.25?2mol/L的刻蚀液;在刻蚀液中加入表面改性物质配制成混合溶液;在20?50°C条件下将基底置于混合溶液中反应20?80min后，将基底取出即可制得具有超疏水表面的基底，同时基底表面对其它液体具有一定疏液性;超疏水表面的结构大小通过反应时间、反应温度和混合溶液中刻蚀剂的浓度控制。
[0017]所述的刻蚀剂为酸性刻蚀剂或碱性刻蚀剂，所述的酸性刻蚀剂包括硫酸、稀硝酸、盐酸、磷酸、氢溴酸、氢碘酸、氢氟酸或含碳类的有机酸;所述的碱性刻蚀剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化妈或有机生物碱；
[0018]所述的低表面能的表面改性物质包括脂肪酸、脂肪酸衍生物、有机硫醇、有机膦酸、有机娃烧或聚四氣乙稀;所述的有机娃烧包括烧基氣娃烧、烧基烧氧基娃烧或烧基氣基娃烧；
[0019]所述的刻蚀剂与表面改性物质的质量比为1?1.25:1；
[0020]所述的其它液体包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇、正丁醇、正辛醇、脂类、硅油、烷烃、润滑油脂、菜籽油、石油、橄榄油、蓖麻油或石蜡等。
[0021]本发明的工作原理:超疏水表面制备包括粗糙结构制备和表面修饰改性两个过程;通过化学反应或电化学反应在基底上构筑粗糙结构以增加表面的粗糙度;利用低表面能的表面改性物质分子中的硅氧烷或硅氯烷水解生成的S1-OH与羟基化的固体基底之间发生脱水缩合反应，从而使得低表面能物质以共价键的形式连接在在基底表面上，使得表面自由能显著降低，达到超疏水的效果。经接触角测试水滴在其表面的接触角高达175°，滚动角小于5°。电化学测试结果表明超疏水不锈钢片的抗腐蚀性能提高到约为普通不锈钢的16倍。
[0022]本发明的效果和益处是:(1)操作简单:把化学刻蚀和表面改性结合在一步完成；
(2)成本低:氟硅烷的用量少，无需任何昂贵设备；(3)超疏水性能优异，抗腐蚀性能良好；
(4)实验周期短；(5)长期稳定性好。这些优点为实现超疏水表面的工业化和大面积化提供了可能，可应用于金属防腐蚀保护。
【附图说明】
[0023]图1为不镑钢基底超疏水表面制备过程不意图；
[0024](1)不锈钢基底；(2)经刻蚀和改性处理后得到的超疏水不锈钢基底。
[0025]图2为本发明实施例1在不锈钢基底上获得的超疏水表面接触角测试图；
[0026]图3为本发明实施例1中不同基底的SEM;
[0027](a)空白不锈钢基底，(b)超疏水不锈钢基底，(c)b的放大图；
[0028]图4为本发明实施例1中不同基底的动电位极化曲线；
[0029](A)为空白不锈钢基底，(B)为超疏水不锈钢基底；
[0030]图5为不锈钢基底超疏水性能重复性测试图。
【具