一种在钛基底上制备超疏水表面的方法与流程

本发明属于超疏水材料技术领域，涉及一种在钛基底上构筑超疏水表面的方法。

背景技术：

钛及其合金由于具有强度高、耐腐蚀性强、生物兼容性优等特点而广泛应用于船舶、航空以及生物医疗等领域。由于超疏水表面具有极端的润湿性能，使得其在各类生产与生活领域中均具有广泛的应用前景。例如，将超疏水表面应用于舰船外壳可以起到减小阻力、抑制生物质粘附以及抗腐蚀作用；应用于航空器表面，可以达到抗冰的效果，用于生物医疗材料表面，则可以提高其生物相容性。如何有效地在钛基底表面构筑超疏水表面，是学术与产业界共同关注的问题。目前已有的钛基超疏水表面的制备方法，例如激光刻蚀法、热氧化法、阳极氧化法、喷砂法、溶液刻蚀法等，均具有成本高、仪器要求特殊或者过程复杂等缺点，难以实现工业化生产，因而离实际应用还存在一定的距离。

技术实现要素：

基于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种工艺简单、成本低廉的在钛基底上制备超疏水表面的方法。

本发明提供了一种在钛基底上制备超疏水表面的方法，包括：

S1)在钛基底上电化学沉积金-锡合金薄膜；

S2)将表面镀有金-锡合金薄膜的钛基底在浓硝酸溶液中进行去合金处理；

S3)在经过去合金处理的钛基底表面自组装全氟化硫醇膜。

优选的，所述步骤S1)中沉积电流密度为0.5～0.8mA cm-2，沉积温度为40～55℃，沉积时间为600s～2000s；所述步骤S2)中浓硝酸的浓度为70wt.％，反应时间为3～7天；所述步骤S3)中全氟化硫醇为具有8个碳原子以上的全氟代硫醇中的一种，硫醇溶液的浓度为2～5mmol L^-1，自组装温度为25～40℃，自组装时间为12～24h。

本发明提供了一种在钛基底上构筑超疏水表面的方法，包括：S1)在钛基底上电化学沉积金-锡合金薄膜；S2)将表面镀有金-锡合金薄膜的钛基底在浓硝酸溶液中进行去合金处理；S3)在经过去合金处理的钛基底表面自组装全氟化硫醇膜。与现有技术相比，本发明通过结合电化学沉积合金薄膜与去合金过程在钛基底表面形成纳米多孔金属结构增大表面粗糙度，然后在纳米多孔金属表面自组装全氟化硫醇膜降低表面能，从而获得具有超疏水表面的钛基底。该超疏水表面制备过程仅需使用普通直流电源以及利用溶液腐蚀及自组装过程，避免使用精密而昂贵的仪器，也不需要复杂的工艺过程，非常适用于在金属基底上构筑超疏水表面。

附图说明

图1为本发明实施例1中得到的金-锡合金/钛表面的扫描电镜照片；

图2为本发明实施例1中得到的纳米多孔金/钛表面的扫描电镜照片；

图3为本发明实施例1中得到的纳米多孔金/钛表面水滴接触角测试图。

具体实施方式

本发明提供了一种在钛基底上制备超疏水表面的方法，包括：S1)在钛基底上电化学沉积金-锡合金薄膜；S2)将表面镀有金-锡合金薄膜的钛基底在浓硝酸溶液中进行去合金处理；S3)在经过去合金处理的钛基底表面自组装全氟化硫醇膜。

其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售或自制均可。

在本发明中，所述金-锡合金薄膜采用金-锡合金镀液进行电化学沉积，优选电沉积工艺参数为：电流密度为0.5～0.8mA cm-2，沉积温度为40～55℃，沉积时间为600s～2000s；所述去合金过程在浓硝酸溶液中进行，优选条件为：浓硝酸的浓度为70wt.％，反应时间为3～7天；所述全氟化硫醇膜自组装过程的优选条件为：全氟化硫醇为具有8个碳原子以上的全氟代硫醇中的一种，硫醇溶液的浓度为2～5mmol L^-1，自组装温度为25～40℃，自组装时间为12～24h。

本发明结合电化学沉积法、去合金法与自组装技术，在钛基底上构筑三维纳米多孔金结构的基础上，进一步通过自组装全氟化硫醇膜的修饰进一步降低表面能，有效地在钛基底上形成超疏水表面，此方法非常适合应用于在导电金属基底上制备超疏水表面。

下面将结合本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1.1取100毫升金-锡合金镀液，以钛基底为负极，镀铂钛网为正极，在两电极体系中进行电化学沉积，电极工作面积为1cm2，沉积电流为0.0005A；沉积温度为50℃，沉积时间为2000s，电沉积结束后将钛基底取出，用去离子水反复冲洗，用氮气吹干，即可得到表面覆盖金-锡合金薄膜的钛基底。

1.2取100毫升浓度为70％的浓硝酸，将1.1制得的金-锡合金/钛材料浸入浓硝酸溶液中，在室温下浸泡5天后取出，用大量去离子水反复冲洗，用氮气吹干，即可得到表面覆盖有纳米多孔金薄膜的钛基底。

1.3取20mL 5mM的1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇的乙醇溶液，将1.2制得的纳米多孔金/钛材料浸入硫醇溶液中，在25℃下浸泡12小时后取出，用大量无水乙醇反复冲洗，用氮气吹干，即可在钛基底上获得超疏水表面。

利用扫描电子显微镜对1.1中得到的金-锡合金/钛材料进行分析，得到其扫描电镜照片，如图1所示。从图1可以看出金-锡合金薄膜的表面呈山脊状。

利用扫描电子显微镜对1.2中得到的纳米多孔金/钛材料进行分析，得到其扫描电镜照片，如图2所示。从图2可知看出，纳米多孔金薄膜呈现三维多孔的分形结构。

对1.3中得到的修饰1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇自组装膜的纳米多孔金/钛材料进行接触角测试，得到5μL水滴在该材料表面的静态图像，如图3所示。从图3可以看出，水滴在该材料表面呈球形，通过测量可知接触角为160°，表明在钛基底上形成了超疏水表面。

实施例2

2.1取100毫升金-锡合金镀液，以钛基底为负极，镀铂钛网为正极，在两电极体系中进行电化学沉积，电极工作面积为1cm²，沉积电流密度为0.0005A；沉积温度为40℃，沉积时间为1000s，电沉积结束后将钛基底取出，用去离子水反复冲洗，用氮气吹干，即可得到表面覆盖金-锡合金薄膜的钛基底。

2.2取100毫升浓度为70％的浓硝酸，将2.1制得的金-锡合金/钛材料浸入浓硝酸溶液中，在室温下浸泡5天后取出，用大量去离子水反复冲洗，用氮气吹干，即可得到表面覆盖有纳米多孔金薄膜的钛基底。

2.3取20mL 5mM的1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇的乙醇溶液，将2.2制得的纳米多孔金/钛材料浸入硫醇溶液中，在25℃下浸泡12小时后取出，用大量无水乙醇反复冲洗，用氮气吹干，即可在钛基底上获得超疏水表面。

实施例3

3.1取100毫升金-锡合金镀液，以钛基底为负极，镀铂钛网为正极，在两电极体系中进行电化学沉积，电极工作面积为1cm²，沉积电流密度为0.0006A；沉积温度为45℃，沉积时间为1500s，电沉积结束后将钛基底取出，用去离子水反复冲洗，用氮气吹干，即可得到表面覆盖金-锡合金薄膜的钛基底。

3.2取100毫升浓度为70％的浓硝酸，将3.1制得的金-锡合金/钛材料浸入浓硝酸溶液中，在室温下浸泡5天后取出，用大量去离子水反复冲洗，用氮气吹干，即可得到表面覆盖有纳米多孔金薄膜的钛基底。

3.3取20mL 5mM的1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇的乙醇溶液，将2.2制得的纳米多孔金/钛材料浸入硫醇溶液中，在25℃下浸泡12小时后取出，用大量无水乙醇反复冲洗，用氮气吹干，即可在钛基底上获得超疏水表面。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。