基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的制备方法及应用与流程

本发明涉及金属防腐技术领域，具体地说是一种基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的制备方法。

背景技术：

大气腐蚀是威胁金属设施安全服役的重要问题。据统计，80％的金属构件在大气环境中使用，世界各国每年因大气腐蚀造成的直接经济损失约占国民生产总值的1.5％～3％。应对大气腐蚀，目前采用的防护手段主要以提高材料自身的耐蚀性或将基底与腐蚀介质相隔离，如涂刷有机涂层，金属镀层等。随着科技的发展，人们对防腐材料的性能要求越来越高，以上传统防护手段的局限性也日益凸显，如有机涂层的毒性和金属镀层的污染问题等。因此，开发新型高效的大气腐蚀防护材料具有重大的现实意义。

从大气腐蚀的机理看，大气腐蚀是一种发生在降水，凝露，降雾，盐粒潮解等作用下的液膜/滴下的电化学腐蚀，其中液膜/滴的存在是发生腐蚀的重要前提。因此，阻止液膜/滴在材料表面的形成是解决大气腐蚀问题的有效手段之一。

仿生超疏水表面可以有效阻止表面液膜/滴的形成。研究证实，由于超疏水表面的“荷叶效应”，潮解的nacl盐粒，雨滴等可以从倾斜的超疏水表面滚落，从而避免了因盐粒潮解，降雨等作用引起的大气腐蚀。但是超疏水表面的“荷叶效应”只适用于外力作用下(如风吹，重力等)的超疏水表面，这不可避免地限制了它们在实际环境中的应用。

近期，人们又发现了在特定超疏水表面的液滴自弹跳现象。超疏水表面的液滴自弹跳现象是系统内部的一种能量转化，它可以自发的产生。弹走的液滴可以有效减少表面液膜/滴的生成，从而可能对表面的大气腐蚀防护性能产生影响。一般来说，凝露和降雾是大气腐蚀环境中液滴/膜形成的两种普遍方式。前期我们主要证实了超疏水表面液滴自弹跳效应在凝露所致大气腐蚀防护中应用的可行性。由于凝露是一种自下而上的液滴形成方式，而降雾是一种自上而下的液滴形成方式，液滴自弹跳效应在降雾所致大气腐蚀防护中应用的可行性，仍未可知。

技术实现要素：

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的制备方法及应用。该发明首次将超疏水表面液滴自弹跳效应应用于大气降雾环境，证实了超疏水表面液滴自弹跳效应在降雾所致大气腐蚀防护中应用的可行性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

s1、金属基体预处理

将金属基体超声清洗后，除去表面杂质及氧化物，氮气吹干备用；

s2、氨水浸泡，在金属基体上构建粗糙表面

配制0.02-0.04m氨的水溶液，将步骤s1预处理后的金属基体采用氨水浸泡，在金属基体上构建具有一定粗糙度的结构表面，待反应完成后，清洗粗糙结构的表面，后用氮气吹干；

s3、表面修饰，制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面

在步骤s2所获得的具有一定粗糙度的结构表面修饰低表面能物质全氟硅烷，制得具有液滴自弹效应的超疏水表面。

可选的，步骤s1中，金属基体为铜片，将铜片用砂纸打磨至，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，除去表面杂质；然后用2.0mhcl超声清洗，除去表面氧化物，无水乙醇清洗后，氮气吹干备用。

可选的，步骤s2中，通过控制反应温度，反应时间，在铜片上分别制备了片状结构和簇状结构的超疏水表面，

a.片状结构超疏水表面的制备：30ml玻璃瓶中加入20ml0.02-0.04m氨水，然后倾斜放入铜片，密封后于70-80℃反应24h。待反应完成后，将氨水浸泡后的样品取出，依次用超纯水和无水乙醇清洗，氮气吹干。

b.簇状结构超疏水表面的制备如下：30ml玻璃瓶中加入20ml0.02-0.04m氨水，然后倾斜放入铜片，密封后于20-30℃反应92-100h，待反应完成后，将氨水浸泡后的样品取出，依次用超纯水和无水乙醇清洗，氮气吹干。

可选的，步骤s3中，将氨水浸泡后的铜片垂直放入反应釜内胆中，滴入10ul全氟硅烷和等体积的无水乙醇，密封后于110-130℃反应1-3h；待反应釜自然冷却至室温，将样品取出于130-160℃加热0.5-1.5h，除去物理吸附在表面上的全氟硅烷，制备得基于液滴自弹跳效应的超疏水表面。

2、本发明另提供一种基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的应用，将上述所制得的的超疏水表面应用在降雾所致大气腐蚀防护领域中。

本发明的一种基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的制备方法及应用与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明利用超疏水表面的液滴自弹跳效应抑制表面雾滴的形成，并促进雾滴由部分润湿态向悬浮cassie态的转化，从而维持空气层的稳定存在，提高表面的大气腐蚀防护性能。该发明首次证实了超疏水表面液滴自弹跳效应在降雾所致大气腐蚀防护中应用的可行性，利用的液滴自弹跳效应不需要外力即能自发产生，是一种新颖的主动防腐手段；同时该发明制备方法简单，快速，不需要昂贵的设备，所述试剂无环境危害。

附图说明

为了更清楚地描述本发明一种基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的制备方法及应用的工作原理，下面将附上简图作进一步说明。

附图1是本发明片状结构超疏水表面fe-sem图和接触角测量图；

附图2是本发明簇状结构超疏水表面fe-sem图和接触角测量图；

附图3是本发明片状结构超疏水表面在模拟大气降雾环境中的光学显微镜图；

附图4是本发明簇状结构超疏水表面在模拟大气降雾环境中的光学显微镜图；

附图5是本发明片状结构超疏水表面在3.5wt.％nacl溶液中的交流阻抗测试结果；

附图6是本发明簇状结构超疏水表面在3.5wt％nacl溶液中的交流阻抗测试结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

本发明提供一种基于液滴自弹跳效应防止金属大气腐蚀的超疏水表面的制备方法，采用氨水浸泡和表面修饰两步法，通过控制反应温度，反应时间等，在铜片上分别制备了片状结构和簇状结构的超疏水表面，具体来说，包括以下步骤：

s1、金属基体预处理

将铜片裁剪成3.0×1.5cm²大小，用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗5min，除去表面杂质；然后用2.0mhcl超声清洗10min，除去表面氧化物，无水乙醇清洗后，氮气吹干备用。

s2、氨水浸泡，在金属基体上构建粗糙表面

a.片状结构超疏水表面的制备：30ml玻璃瓶中加入20ml0.03m氨水，然后倾斜放入铜片，密封后于75℃反应24h。待反应完成后，将氨水浸泡后的样品取出，依次用超纯水和无水乙醇清洗，氮气吹干。

b.簇状结构超疏水表面的制备：30ml玻璃瓶中加入20ml0.03m氨水，然后倾斜放入铜片，密封后于25℃反应96h。待反应完成后，将氨水浸泡后的样品取出，依次用超纯水和无水乙醇清洗，氮气吹干。

s3、表面修饰，制备具有液滴自弹跳效应的超疏水表面

将氨水浸泡后的铜片垂直放入反应釜内胆中，滴入10ul全氟硅烷和等体积的无水乙醇，密封后于120℃反应2h；待反应釜自然冷却至室温，将样品取出于150℃加热1h，除去物理吸附在表面上的全氟硅烷，制备得片状结构和簇状结构的超疏水表面(图1-图2)。

测试超疏水表面的液滴弹跳现象：

以加湿器模拟超疏水表面在大气环境中的降雾过程，并利用光学显微镜观察不同结构超疏水表面的液滴自弹跳现象，结果发现：片状结构超疏水表面液滴合并后可以发生弹跳，表面上形成的液滴比较稀疏；而簇状结构超疏水表面液滴合并后不能发生弹跳，表面上形成的液滴比较密集(图3-图4)。由此可知，超疏水表面的液滴自弹跳现象可以显著降低降雾环境中片状结构超疏水表面的液滴覆盖度和液滴停留周期。

测试疏水表面的大气腐蚀防护性能：

空气层的存在是超疏水表面具有优异耐蚀性能的重要原因。利用交流阻抗评价不同结构超疏水表面降雾前后的大气腐蚀防护性能，并利用光的全反射原理验证两种结构超疏水表面降雾前后空气层的存在情况。结果发现，片状结构超疏水表面在降雾后具有较好的腐蚀防护性能，且维持了空气层的存在；而簇状结构超疏水表面在降雾后腐蚀防护性能较差，且丧失了空气层(图5-图6)。这可能是因为片状结构超疏水表面的液滴自弹跳现象促进了液滴由部分润湿态向悬浮cassie态的转化，从而维持了空气层的稳定存在，提高表面的大气腐蚀防护性能。

上述步骤s2中氨水浓度为0.02-0.04m，可以是0.02m、0.03m或0.04m。

上述步骤s2中簇状结构超疏水表面的反应温度为20-30℃，可以是20℃、25℃、30℃，反应时间为92-100h，可以是92h、96h或100h。

上述步骤2中片状结构超疏水表面的反应温度为70-80℃，可以是70℃、75℃或80℃。

上述步骤s3中将氨水浸泡后的铜片垂直放入反应釜内胆中，滴入10ul全氟硅烷和等体积的无水乙醇，密封后于110-130℃反应1-3h；待反应釜自然冷却至室温，将样品取出于130-160℃加热0.5-1.5h，除去物理吸附在表面上的全氟硅烷，制备得基于液滴自弹跳效应的超疏水表面。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。