一种多功能仿生超疏水表面制备方法与流程

本发明专利涉及一种超疏水表面制备方法，尤其是一种多功能仿生超疏水表面制备方法。

背景技术：

仿生超疏水表面因具有良好的自清洁、流体减阻、防腐蚀、防冰以及防污损性能，在工业上展示出了较强的应用潜力，引起了人们的广泛研究。超疏水表面的润湿性由以下两个因素共同决定：较低的表面能，以及表面的粗糙结构。研究表明在目前已知极低表面能物质的光滑固体表面，液滴的接触角最高仅达到120°，远达不到超疏水性的要求。然而引入微观结构可显著地提高固体表面非润湿性能，表观接触角可达150°甚至更高。因此制备超疏水表面的关键是在固体表面构筑合适尺寸的微观结构。目前随着技术的不断发展，出现了许多种在固体表面构建微观结构的方法，例如细微加工技术、等离子体刻蚀技术、化学或者物理气相沉积技术、化学刻蚀技术、溶胶凝胶技术、静电纺丝技术及喷涂技术等。然而，这些技术存在着成本高、工艺复杂、耗时长、对环境有一定程度的污染等问题，严重制约着超疏水表面工业化制备及应用技术的发展。

激光作为一种新型的加工手段具有加工速度快、加工精度高、加工范围广以及环保等优势。通过激光控制固体表面润湿性成为人们研究的热点。目前已有的报导中，所用光源大多为飞秒激光，通过激光烧蚀，可以在绝大多数的材料表面制备出周期性微米-纳米复合结构。申请号为201410788483.5的发明专利，提供了一种采用飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置。但是飞秒激光成本高且制备速度相对较慢，限制了其在工业领域的大规模应用。

技术实现要素：

针对目前飞秒激光制备仿生超疏水表面成本高、速度慢的问题，本发明采用纳秒激光，在脉冲激光烧蚀和冲击的作用下在钛合金表面制备出微米-纳米分级结构；用低成本的聚硅氮烷复合涂层取代价格昂贵且对环境有害的氟碳化合物对微米-纳米分级结构进行修饰，降低了金属基体制备超疏水表面的成本。经纳秒激光处理并修饰后钛合金表面的疏水性大大提高。在聚硅氮烷复合涂层加入多种纳米粒子使钛合金的综合性能得到提高，以加入改性zno纳米粒子为例，不仅提高了钛合金超疏水表面的耐腐蚀性能，而且对大肠杆菌的抑菌率也超过90％，另外还可以加入tio2、fe3o4、碳纳米管、石墨烯、金、银多种颗粒提高钛合金的综合性能。

本发明提出一种多功能仿生超疏水表面制备方法，包括

步骤一，采用纳秒激光，在脉冲激光烧蚀和冲击的作用下在钛合金表面制备出微米-纳米分级结构；

步骤二，用低成本的聚硅氮烷复合涂层对微米-纳米分级结构进行修饰；

步骤三，在聚硅氮烷复合涂层加入多种纳米粒子使钛合金的综合性能得到提高。

所述步骤一所说的纳秒激光，是指中心波长为λ＝1064nm，平均功率为20w，重复频率为20khz，输出能量为1mj/脉冲，脉冲宽度为100ns。

所述步骤一所说的纳秒激光制备微米-纳米分级结构，是指纳秒激光束受扫描振镜系统控制可沿指定方向移动，用焦距为f＝80mm的扫描透镜在样品表面聚焦成φ＝40μm的光斑，通过不同的扫描方式在钛合金基体表面构建微米-纳米结构。

所述步骤二，用低成本的聚硅氮烷复合涂层取代价格昂贵且对环境有害的氟碳化合物对微米-纳米分级结构进行修饰，降低了金属基体制备超疏水表面的成本。

所述步骤三，在聚硅氮烷复合涂层加入多种纳米粒子使钛合金的综合性能得到提高，以加入改性zno纳米粒子为例，具体如下：

1)纳米氧化锌的分散：取1g钛酸酯偶联剂放入200ml异丙醇中搅拌20分钟使其分散均匀，向混合液中加入3g纳米氧化锌粉，在30℃水浴中高速搅拌2小时使纳米粉在混合液中均匀分散，抽滤后得到的沉淀在烘箱中烘干即得到改性氧化锌颗粒；

2)涂层溶液的配置：溶液由稀释剂二甲苯和聚硅氮烷以一定比例组成，将二者混合后再添加一定质量的改性纳米二氧化硅，低温超声分散30min使改性纳米颗粒在溶液中均匀分散；

3)涂覆与固化：将样品垂直悬挂在溶液中，超声涂覆30分钟后表干20分钟放入烘箱中随炉升温至200℃，保温4小时后随炉降至室温；

在聚硅氮烷复合涂层加入改性zno纳米粒子，不仅提高了钛合金超疏水表面的耐腐蚀性能，而且对大肠杆菌的抑菌率也超过90％，另外还可以加入tio2、fe3o4、碳纳米管、石墨烯、金、银多种颗粒提高钛合金的综合性能。

本发明所提供一种多功能仿生超疏水表面制备方法的主要优点和积极效果如下：采用成本低的纳秒激光，在脉冲激光烧蚀和冲击的作用下在钛合金表面制备出微米-纳米分级结构；用低成本的聚硅氮烷复合涂层取代价格昂贵且对环境有害的氟碳化合物对微米-纳米分级结构进行修饰，降低了金属基体制备超疏水表面的成本。在聚硅氮烷复合涂层加入改性zno纳米粒子、tio2、fe3o4、碳纳米管、石墨烯、金、银多种颗粒提高钛合金的综合性能。

附图说明

图1钛合金基体表面微观结构的sem图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种多功能仿生超疏水表面制备方法，包括：

步骤一，采用纳秒激光，在脉冲激光烧蚀和冲击的作用下在钛合金表面制备出微米-纳米分级结构；

步骤二，用低成本的聚硅氮烷复合涂层对微米-纳米分级结构进行修饰；

步骤三，在聚硅氮烷复合涂层加入多种纳米粒子使钛合金的综合性能得到提高。

一步骤一所说的纳秒激光，是指中心波长为λ＝1064nm，平均功率为20w，重复频率为20khz，输出能量为1mj/脉冲，脉冲宽度为100ns。

一步骤一所说的纳秒激光制备微米-纳米分级结构，是指纳秒激光束受扫描振镜系统控制可沿指定方向移动，用焦距为f＝80mm的扫描透镜在样品表面聚焦成φ＝40μm的光斑，通过不同的扫描方式在钛合金基体表面构建微米-纳米结构。

一步骤二，用低成本的聚硅氮烷复合涂层取代价格昂贵且对环境有害的氟碳化合物对微米-纳米分级结构进行修饰，降低了金属基体制备超疏水表面的成本。

一步骤三，在聚硅氮烷复合涂层加入多种纳米粒子使钛合金的综合性能得到提高，以加入改性zno纳米粒子为例，具体如下：

1)纳米氧化锌的分散：取1g钛酸酯偶联剂放入200ml异丙醇中搅拌20分钟使其分散均匀，向混合液中加入3g纳米氧化锌粉，在30℃水浴中高速搅拌2小时使纳米粉在混合液中均匀分散，抽滤后得到的沉淀在烘箱中烘干即得到改性氧化锌颗粒；

2)涂层溶液的配置：溶液由稀释剂二甲苯和聚硅氮烷以一定比例组成，将二者混合后再添加一定质量的改性纳米二氧化硅，低温超声分散30min使改性纳米颗粒在溶液中均匀分散；

3)涂覆与固化：将样品垂直悬挂在溶液中，超声涂覆30分钟后表干20分钟放入烘箱中随炉升温至200℃，保温4小时后随炉降至室温；

在聚硅氮烷复合涂层加入改性zno纳米粒子，不仅提高了钛合金超疏水表面的耐腐蚀性能，而且对大肠杆菌的抑菌率也超过90％，另外还可以加入tio2、fe3o4、碳纳米管、石墨烯、金、银多种颗粒提高钛合金的综合性能。

以上所述的具体实施例，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不局限于本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。