一种简便的超疏水锌表面的制备方法与流程

本发明涉及金属表面改性技术领域，特别涉及一种简便的超疏水锌表面的制备方法。

背景技术

随着仿生学的不断发展，自然界中动植物的特性逐渐被人们发现并研究。这一过程中，人们发现有些动植物表面具有非常特殊的疏水效果，雨后的荷叶表面会有水珠来回滚动，使得表面更加的洁净；水稻叶上珍珠般的水滴；水黾在河面上肆意的奔跑；蜻蜓在雨中可以自由的飞行。这种依靠表面特殊微观结构而实现的超疏水性能在生产和生活中具有非常大的应用价值，因而很多的研究者开始致力于上述现象的研究，分析其表面结构，并试图在其他材料表面实现同样的超疏水性能，尤其是应用广泛地金属表面。

锌是一种极为常见的利用率较高的金属，亦是工业生产中应用较广极为重要的金属材料之一。锌及其合金有着一系列优越性能，使得其在生产以及生活的诸多方面得以应用。但是锌材料的表面是呈亲水性的，这限制了其部分应用。超疏水表面具有超疏水和自清洁的性能,使其不仅在防水防雾、自清洁、抗菌、防腐蚀等方面能发挥其应用价值,而且在防冰防雪、减小船体的摩擦阻力、无损液体传输等方面也极具潜在的应用价值。所以若能将锌表面制备出超疏水的表面，这将大大提高锌的应用价值及邻域。

一般情况下，制备此类超疏水表面需要制备粗糙结构和降低表面能两个要素。目前大多数的制备方法也都从上述两点进行研发。目前已经有很多在金属表面构筑微细结构的技术方法,如化学氧化、电化学沉积和腐蚀等方法，但是这些方法存在与基体材料粘接不牢固、或工艺复杂、或耗资大等问题。

因此，如何解决上述超疏水层与基体粘接不牢，工艺复杂和成本高的问题，提供一种操作简单，成本低的制备超疏水锌表面的方法，成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种简便的超疏水锌表面的制备方法，包括以下步骤：

a)锌表面预处理步骤，包括采用砂纸对锌片进行打磨，然后进行超声波清洗，再采用干燥箱干燥，得到表面洁净的锌片；

b)制备具有微观结构的表面步骤，包括将步骤a)得到的锌片放入盐酸溶液中，对锌表面进行刻蚀反应，再进行超声波清洗并干燥；

c)降低表面能步骤，包括将步骤b)得到的锌片放入硬脂酸无水乙醇溶液中进行表面修饰反应，再进行干燥固化，得到超疏水锌表面。

可选的，所述步骤b)中，盐酸的浓度在0.8-2.0mol/l范围内；

可选的，所述步骤b)中，刻蚀反应的时间在4-8h范围内；

可选的，所述步骤c)中，表面修饰反应的条件包括，修饰反应时间为2h，反应温度45-60℃，干燥温度110℃，干燥时间25min；

可选的，所述步骤a)中，砂纸打磨锌片的步骤包括，先采用500目砂纸打磨，再采用2000目砂纸打磨，最后采用5000目砂纸打磨；

可选的，所述步骤c)中，硬脂酸无水乙醇溶液的浓度为0.1-2.0mol/l。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：

本发明采用的刻蚀剂为盐酸，盐酸是一种工业上非常常见的化工原料，容易获得，刻蚀操作简单易行；另外，本发明所需设备价格均较为低廉，易于采购，操作简便，易于大规模工业化生产。

本发明可以制备出具有“沟槽状”超疏水结构表面，容易形成固气液三相接触，有利于提高锌表面的疏水性能。

附图说明

图1是本发明一实施例简便的超疏水锌表面的制备方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例简便的超疏水锌表面的水滴形态图；

图3是本发明一实施例简便的超疏水锌表面微观结构sem图；

图4是本发明另一实施例简便的超疏水锌表面微观结构sem图；

图5是本发明另一实施例简便的超疏水锌表面微观结构sem图；

具体实施方式

由背景技术可知，目前制备超疏水锌表面的方法存在与基体材料粘接不牢固、或工艺复杂、或耗资大等问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种简便的超疏水锌表面的制备方法，能够使得超疏水锌表面的制作工艺更加简便和经济高效，而且提高了锌表面的水滴接触角度，提高了产物的性能。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，图1示出了本发明简便的超疏水锌表面的制备方法的流程示意图。具体地，包括以下基本步骤：

a)锌表面预处理步骤，包括采用砂纸对锌片进行打磨，然后进行超声波清洗，再采用干燥箱干燥，得到表面洁净的锌片；

b)制备具有微观结构的表面步骤，包括将完成锌表面预处理的锌片放入盐酸溶液中，对锌表面进行刻蚀反应，再进行超声波清洗并干燥；

c)降低表面能步骤，包括将完成制备具有微观结构的表面的锌片放入硬脂酸无水乙醇溶液中进行表面修饰反应，再进行干燥固化，得到超疏水锌表面。

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

参考图1，执行步骤a)，采用砂纸对锌片进行打磨，然后进行超声波清洗，再采用干燥箱干燥，得到表面洁净的锌片。

本发明中，对锌片打磨的步骤包括，先采用500目砂纸打磨，再采用2000目砂纸打磨，最后采用5000目砂纸打磨，这样由粗至细的打磨顺序可以更加快速的将锌片表面的氧化层完全打磨掉。

参考图1，执行步骤b)，将完成锌表面的锌片放入盐酸溶液中，对锌表面进行刻蚀反应，再进行超声波清洗并干燥；

本发明中，所述步骤b)中盐酸的浓度在0.8-2.0mol/l范围内。盐酸浓度对超疏水锌表面的制备具有较大的影响。当盐酸浓度在0.8-2.0mol/l之间时。所制备出的锌表面具有较好的超疏水性能；浓度过低会导致刻蚀效果不明显，无法产生明显的沟槽状结构，继而降低最终制备出来的样品的疏水性能；浓度过高，则会对产生的沟槽结构进行二次刻蚀，破坏了该结构的稳定性。

本发明中，所述步骤b)中刻蚀反应的时间在4-8h范围内，低于或高于设定时间制备出的锌表面水滴接触角度偏小。

参考图1，执行步骤c)，将完成制备具有微观结构的表面的锌片放入硬脂酸无水乙醇溶液中进行表面修饰反应，再进行干燥固化，得到超疏水锌表面。

本发明中，所述步骤c)中，硬脂酸无水乙醇溶液的浓度为0.1-2.0mol/l。

本发明中，所述步骤c)中，表面修饰反应的条件包括，修饰反应时间为2h，反应温度45-60℃，干燥温度110℃，干燥时间25min。干燥温度对最终锌表面的疏水性能具有影响，合适的干燥温度可以使锌样品表面的液体修饰层完全挥发，形成均匀的固体修饰表面层。温度过低，硬脂酸无水乙醇溶液干燥过慢，温度过高，形成的修饰层不均匀。硬脂酸无水乙醇修饰干燥可以降低锌表面的表面能。

本发明采用的刻蚀剂为盐酸，盐酸是一种工业上非常常见的化工原料，容易获得，刻蚀操作简单易行；另外，本发明所需设备价格均较为低廉，易于采购，操作简便，易于大规模工业化生产。

本发明制备的“沟槽状”超疏水结构表面可以形成固气液三相接触，有利于提高锌表面的疏水性能。

实施例1

1.锌表面预处理：将尺寸大小为20*20*2mm的锌片先后经500，2000和5000目的砂纸进行打磨，再超声波清洗，并且用干燥箱干燥，去除表面的氧化层；

2.制备具有微观结构的表面：将经过预处理的锌片放入2.0mol/l盐酸溶液中，在常温下将锌片置于溶液中刻蚀4h，随后超声波清洗并用干燥箱干燥。

3.降低表面能：将完成刻蚀并干燥的锌片放入配置好的0.5mol/l的硬脂酸无水乙醇溶液中，在水浴55℃条件下修饰锌片2个小时，随后在干燥箱中于110℃下干燥固化25min，得到超疏水锌表面。

参考图2，通过接触角测量仪对处理后的锌片进行滴水实验，测量静态水滴在锌片表面的接触角度，如图2所示，锌片表面水滴接触角为150°。

参考图3，图3示出了本实施例得到的超疏水锌表面的表面形貌sem图，可以明显的观察到其表面具有“沟槽状”的微观结构，该表面结构有利于形成固气液三相接触，可以极大的提高锌表面的疏水性能。

实施例2

1.锌表面预处理：将尺寸大小为20*20*2mm的锌片先后经500，2000和5000目的砂纸进行打磨，再超声波清洗，并且用干燥箱干燥，去除表面的氧化层；

2.制备具有微观结构的表面：将经过预处理的锌片放入1.6mol/l盐酸溶液中，在常温下将锌片置于溶液中刻蚀5h，随后超声波清洗并用干燥箱干燥。

3.降低表面能：将完成刻蚀并干燥的锌片放入配置好的0.5mol/l的硬脂酸无水乙醇溶液中，在水浴55℃条件下修饰锌片2个小时，随后在干燥箱中于110℃下干燥固化25min，得到超疏水锌表面。

通过接触角测量仪对处理后的锌片进行滴水实验，测量静态水滴在锌片表面的接触角度，结果为锌片表面水滴接触角为151.32°。参考图4，图4示出了本实施例得到的超疏水锌表面的表面形貌sem图，可以明显的观察到其表面具有非常规整的“沟槽状”的微观结构，该表面结构有利于形成固气液三相接触，可以极大的提高锌表面的疏水性能。

实施例3

1.锌表面预处理：将尺寸大小为20*20*2mm的锌片先后经500，2000和5000目的砂纸进行打磨，再超声波清洗，并且用干燥箱干燥，去除表面的氧化层；

2.制备具有微观结构的表面：将经过预处理的锌片放入0.8mol/l盐酸溶液中，在常温下将锌片置于溶液中刻蚀8h，随后超声波清洗并用干燥箱干燥。

3.降低表面能：将完成刻蚀并干燥的锌片放入配置好的0.5mol/l的硬脂酸无水乙醇溶液中，在水浴55℃条件下修饰锌片2个小时，随后在干燥箱中于110℃下干燥固化25min，得到超疏水锌表面。

通过接触角测量仪对处理后的锌片进行滴水实验，测量静态水滴在锌片表面的接触角度，结果为锌片表面水滴接触角为148°。

参考图5，图5示出了本实施例得到的超疏水锌表面的表面形貌sem图。可以明显的观察到其表面具有“沟槽状”的微观结构，该表面结构有利于形成固气液三相接触，可以极大的提高锌表面的疏水性能。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。