一种超双疏叶轮及其制备方法和应用与流程

本发明属于材料改性领域，涉及一种超双疏叶轮及其制备方法和应用。

背景技术：

抽油烟机，是一种净化厨房环境的厨房电器，它安装在厨房炉灶上方或者侧面，能将炉灶燃烧的废物和烹饪过程中产生的对人体有害的油烟迅速抽走，排到室外，减少污染，净化空气，并有防毒防爆的安全保障作用，一般常用的抽油烟机的风箱内壁及风叶不易清洗的地方，日积月累的油渍积滞在叶轮上，影响脱油、排风的顺畅；并且叶轮粘满油污油水混合物，会加重电机的运转负荷，加上叶片上所粘附的污垢不均匀，会造成电机运转动平衡变差，最终就会导致电机的寿命降低，排烟效果不好，而且噪音大的问题。并且重度油污不仅影响使用者心情，日常滴油漏油同样危害家人饮食健康，也会影响油烟机的使用效率。但是清洗烟机油污费时费力，尤其内部叶轮清洗难度高；现在家电领域应用的防污涂层大多为聚四氟乙烯且应用在烹饪锅上，但是抽油烟机的油污是高温油汽和水蒸汽的混合物，一般涂层效果较差。

目前，通常对金属表面利用氟化处理进行疏水、疏油改性之前，一般会利用酸溶液对金属表面进行刻蚀，在“x52管线钢仿生超双疏表面的制备”中有报道利用喷砂毛化、酸刻蚀和氟化处理三者结合对x52管线钢进行表面改性以得到疏水表面；但是，金属在酸性环境下反应时，反应较为剧烈，形貌微观尺度不易控制，容易在微观形貌上出现较大尺寸的凹陷结构，增大微观结构的“表面积”，导致后续表面修饰的时间过长。cn107779848a公开了一种在钢基体表面上通过置换反应制备超疏水、疏油表面的方法，所述的制备方法包括先除油进行初步清洗再打磨成微米级粗糙的表面，进一步清洗之后利用cuso4对fe的置换反应在基材表面留下微米级的粗糙表面；然后将钢基材样品沉浸在十四酸乙醇溶液中，可获得与接触角大于150°的超疏水表面。cn107675151a公开了一种粗糙铝/铝合金表面超双疏化的修饰方法，所述方法将具有一定粗糙度的铝或者铝合金表面在氟化有机膦酸溶液中快速浸渍、冲洗后即可获得超双疏表面，虽然表面改性迅速，但是该方法仅针对有一定粗糙度的铝制品，应用范围窄。

抽油烟机叶轮叶片是油烟附着的集中地方，叶轮的特殊结构使叶轮的防污处理较为复杂，并且难以顾及到叶轮的细小缝隙，因此需要开发一种方法对叶轮进行防油污、防水处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超双疏叶轮及其制备方法和应用。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种超双疏叶轮的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)叶轮在弱碱水溶液中进行刻蚀，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在氟代烷氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡，进行表面修饰，得到所述超双疏叶轮。

在本发明中，利用弱碱溶液进行刻蚀替换了传统的酸溶液刻蚀，避免了酸刻蚀反应剧烈，微观形貌尺度不易控制的缺点，采用弱碱溶液刻蚀，腐蚀坑浅，截面积小，这样可以减少后续过程中的表面修饰时间并且可以减少氟代烷氧基硅烷的用量。碱刻蚀后的叶轮在氟代烷氧基硅烷的乙醇溶液中进行表面修饰，氟代烷氧基硅烷发生水解后，与金属基底反应的同时分子间也存在交联、缩聚等反应，因此，氟代烷氧基硅烷可以在金属表面形成表面能低的大分子膜，使叶轮具有相应的疏水、疏油能力；弱碱刻蚀与利用氟代烷氧基硅烷的表面修饰二者结合可以很大程度上减少表面修饰时间，并得到具有良好的疏水、疏油能力的叶轮。

优选地，步骤(1)所述弱碱水溶液为氢氧化铵水溶液。

优选地，在氢氧化铵水溶液中，氢氧化铵的浓度为0.02-0.06mol/l，例如0.03mol/l、0.04mol/l、0.05mol/l等。

在本发明中，氢氧化铵即为氨水，氢氧化铵的浓度为0.02-0.06mol/l时，对叶轮的刻蚀效果最好，当浓度小于0.02mol/l时，刻蚀效果不充分，进而导致后续的表面改性效果较差，而浓度高于0.06mol/l时，虽然对刻蚀效果影响不大，但是会造成碱液的浪费，并且，浓度较高时，氢氧化铵水溶液气味较大，在实际生产过程中可能会对环境以及人体有一定影响。

优选地，步骤(1)所述刻蚀的时间为20-40小时，例如22小时、25小时、28小时、30小时、32小时、35小时、38小时等。

优选地，步骤(1)所述刻蚀的温度为50-70℃，例如52℃、55℃、58℃、60℃、62℃、65℃、68℃等。

优选地，步骤(2)所述氟代烷氧基硅烷为十七氟癸基三乙氧基硅烷。

在本发明中，首先，配置好的氟代烷氧基硅烷溶液中，与氟代烷基链相连的si-(or)3基发生水解或者醇解变成硅醇，其反应式可表示为：

接下来就是成膜过程，也就是大分子膜在金属表面形成的过程。由于叶轮基底存在m-oh基团(m代表金属基体)，而si-oh是极性很强的一种基团，在某些条件下，两种基团会发生si-oh与m-oh基团缩合形成氢键或共价键的形式，因此在叶轮表面吸附组装形成低表面能有机膜，反应如下：

同理，氟代烷氧基硅烷分子之间也存在分子间的交联，缩聚，于是在氟代烷氧基硅烷分子附着在叶轮表面的时候，氟代烷氧基硅烷分子之间相互交联，进而在叶轮表面形成大分子膜。

优选地，在乙醇溶液中，所述十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积浓度为1.20-1.50％，例如1.25％、1.3％、1.35％、1.4％、1.45％等。

当十七氟癸基三乙氧基硅烷的体积浓度小于1.20％时，会降低反应速率以及最后的成膜性，而体积浓度大于1.50％时，可能会因为形成的分子膜之间的相互水解而导致疏水、疏油性质有所降低。

优选地，步骤(2)所述表面修饰的时间为30-60min，例如35min、40min、45min、50min、55min等。

优选地，步骤(2)还包括进行表面修饰后，然后干燥。

优选地，所述干燥为在60-100℃(例如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃等)下干燥10-20min(例如11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min等)。

优选地，所述叶轮的加工原料为碳钢经过冷轧工艺得到的钢板。

作为最佳优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

(1)叶轮在0.02-0.06mol/l的氢氧化铵水溶液中在50-70℃下刻蚀20-40小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.20-1.50％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡30-60分钟，进行表面修饰，在60-100℃下干燥10-20min，得到所述超双疏叶轮。

在最佳优选方案中，通过控制氢氧化铵水溶液的的浓度、刻蚀温度以及时间、十七氟癸基三乙氧基硅烷的浓度以及表面修饰时间，使最后得到的叶轮具有优异的超双疏特点，并且最后得到的叶轮存在的细小缝隙处也同样达到了疏水、疏油效果，避免了叶轮细小缝隙处会积累油渍，难以清理。

图1为本发明提供的制备方法的流程图，图中包括叶轮进行表面修饰后的微观结构示意图。

第二方面，本发明提供了一种超双疏叶轮，所述超双疏叶轮表面接枝十七氟癸基三乙氧基硅烷。

优选地，所述超双疏叶轮由第一方面所述的制备方法制备得到。

第三方面，本发明提供了一种抽油烟机，所述抽油烟机叶轮为第二方面所述的超双疏叶轮。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)在本发明中，利用弱碱水溶液刻蚀替换了传统的酸溶液刻蚀，避免了酸刻蚀反应剧烈，微观形貌尺度不易控制的缺点，并且，采用碱刻蚀对金属微观形貌的控制，可以缩短后期表面修饰时间，在较短时间内完成表面修饰；

(2)碱刻蚀后的叶轮在氟代烷氧基硅烷的乙醇溶液中进行表面修饰，氟代烷氧基硅烷在与金属基底反应的同时分子间也存在分子间的交联、缩聚，因此氟代烷氧基硅烷可以在金属表面形成表面能低的大分子膜，使叶轮具有相应的疏水、疏油能力；

(3)本发明提供的制备方法简单易行，通过碱刻蚀与利用氟代烷氧基硅烷进行表面修饰二者结合使用，使本发明得到的叶轮具有优异的疏油、疏水特点，其中对水的接触角可达145°以上，对食用油的接触角可达139°以上。

附图说明

图1是为本发明提供的制备方法的流程图。

图2是实施例1经过碱刻蚀后的叶轮的sem图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

一种超双疏叶轮，制备方法如下：

(1)叶轮在0.04mol/l的氢氧化铵水溶液中在60℃下刻蚀30小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.35％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡45分钟，进行表面修饰，在80℃下干燥15min，得到超双疏叶轮。

性能测试：

利用sem表征观察经过步骤(1)的碱刻蚀之后的微观形貌，见图1；由图可知，经过弱碱溶液刻蚀后，基底材料表面出现了花簇状的形貌，形貌的微粒直径大约2-5μm，大大增加了叶轮表面的微观粗糙度，为后期进行氟代烷氧基硅烷修饰提供了很大的空间，为成膜提供了很好的条件。

实施例2

一种超双疏叶轮，制备方法如下：

(1)叶轮在0.02mol/l的氢氧化铵水溶液中在50℃下刻蚀40小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.20％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡60分钟，进行表面修饰，在60℃下干燥20min，得到超双疏叶轮。

实施例3

一种超双疏叶轮，制备方法如下：

(1)叶轮在0.06mol/l的氢氧化铵水溶液中在70℃下刻蚀20小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.50％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡30分钟，进行表面修饰，在100℃下干燥10min，得到超双疏叶轮。

实施例4

一种超双疏叶轮，制备方法如下：

(1)叶轮在0.03mol/l的氢氧化铵水溶液中在55℃下刻蚀35小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.30％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡50分钟，进行表面修饰，在70℃下干燥17min，得到超双疏叶轮。

实施例5

一种超双疏叶轮，制备方法如下：

(1)叶轮在0.05mol/l的氢氧化铵水溶液中在65℃下刻蚀25小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.40％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡40分钟，进行表面修饰，在90℃下干燥12min，得到超双疏叶轮。

实施例6

一种超双疏叶轮，制备方法如下：

(1)叶轮在0.02mol/l的氢氧化铵水溶液中在58℃下刻蚀40小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.25％的全氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡55分钟，进行表面修饰，在65℃下干燥19min，得到超双疏叶轮。

实施例7

一种超双疏叶轮，制备方法如下：

(1)叶轮在0.04mol/l的氢氧化铵水溶液中在50℃下刻蚀10小时，之后洗涤、干燥；

(2)将步骤(1)得到的叶轮在体积分数为1.0％的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡60分钟，进行表面修饰，在95℃下干燥11min，得到超双疏叶轮。

对比例1

与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，步骤(1)为:叶轮在7mol/l的盐酸溶液中刻蚀1.5h。

对比例2

与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，步骤(1)为：叶轮在1mol/l的氢氧化钠水溶液中在60℃下刻蚀1.5h。

对比例3

与实施例1的区别仅在于，本对比例不进行步骤(1)，仅进行步骤(2)。

对比例4

与实施例1的区别仅在于，本对比例不进行步骤(2)，仅进行步骤(1)。

性能测试

对实施例1-7和对比例1-4提供的叶轮进行性能测试：

(1)接触角：利用接触角测量仪测试叶轮对水和食用油的接触角。

(2)测试使用情况：将叶轮安装到抽油烟机上，使用60天之后，观察叶轮表面情况，其中：

1-无油污；

2-细小缝隙处有少量油污；

3-细小缝隙处和叶片表面均有少量油污；

4-叶片表面有大量油污。

测试结果见表1：

表1

由实施例可知，本发明得到的叶轮具有优异的疏水、疏油性能，由实施例数据可知，本发明得到的叶轮对水的接触角可达145°以上，对食用油的接触角可达139°以上，当采用的氟代烷氧基硅烷为十七氟癸基三乙氧基硅烷时，得到的叶轮对水的接触角在150°以上，对食用油的接触角在142°以上，具有较优的疏油、疏水效果；并且通过调整氢氧化铵的浓度以及刻蚀温度、刻蚀时间和表面修饰的修饰时间等反应条件，本发明得到的叶轮水的接触角可达159°，对油的接触角可达150°；由实施例1和对比例1-4的对比可知，本发明只有弱碱水溶液刻蚀与表面修饰共同配合，才可以使本发明得到的叶轮具有较优的疏油、疏水特点，二者缺一不可。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的超双疏叶轮及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。