[发明专利]一种金属锆超疏水表面的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面处理领域，具体涉及一种金属锆超疏水表面的制备方法。

背景技术

超疏水是一种特殊的表面浸湿性，超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于150℃的表面。金属超疏水表面在生产生活以及基础研究领域具有广泛而重要的用途，如具有超疏水能力的金属表面可以起到自清洁、抑制表面腐蚀和表面氧化的效果；输电及有线通讯线路所用金属表面具备超疏水能力则可减轻雨雪霜冻的聚集，提高线路安全性；船舶舰艇的金属外壳或金属管道的内壁具备超疏水能力，则可减少摩擦阻力、提高行驶或输运速度，降低噪音和能耗；等等。因此，近年来金属超疏水表面的制备越来越受到人们的关注。一般认为，在金属表面构筑纳米与微米相结合的粗糙结构是制备金属超疏水表面的关键。围绕此，人们发展了多种制备金属超疏水表面的方法，如低压氧化法、刻蚀法、喷砂/去砂法、微弧氧化法等，利用这些方法成功制备了铜、铝、钛、镁等金属及合金的超疏水表面，如中国专利CN 101476121A“利用低压氧化法在铜表面制备超疏水薄膜的方法”，CN100558472C“铝及铝合金超疏水表面的制作方法”，CN 101191227A“在钛合金上制备超疏水性表面的方法”，CN 101469425A“镁合金超疏水表面的制备方法”，等等。

金属锆材不仅是重要的核材料，而且广泛应用于化工设备制造如醋酸、农药、塑料等行业用反应器、热交换器、泵、阀、管道等。如果能通过适当方法赋予金属锆表面超疏水性质，则可提高锆材及其制品的自清洁、防腐蚀、防雨雪霜冻能力，降低维护成本、延长使用寿命；倘若锆材制成的管道内表面具备超疏水性，则可有效减少输送耗能，提高输送速度、降低输送成本。由此可见，制备金属锆超疏水表面意义重大。然而，目前未见有金属锆超疏水表面及其制备方法的研究报道。

发明内容

针对目前金属锆超疏水表面的研发空白，本发明的目的是提供一种金属锆超疏水表面的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种金属锆超疏水表面的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：

①化学浸蚀：将清洁的金属锆材置于2～8℃的化学浸蚀液中浸蚀1～2s取出，然后用水冲洗，重复上述操作3～5次；

②阳极氧化：以经过步骤①化学浸蚀处理的锆材为阳极，以大面积石墨片为阴极，以含少量氟化物水溶液的有机醇溶液为阳极氧化液进行阳极氧化处理，阳极氧化电压为20～80V，温度为10～35℃，时间为2～6h；

③超声剥膜：将步骤②阳极氧化处理后的锆材置于室温下的无水乙醇中超声除去表面的阳极氧化膜，超声功率为25～60kW，时间为8～20min；

④自组装低表面能物质：将步骤③超声剥膜处理后的锆材置于室温下的疏水处理液中浸泡4～8h，取出后用水冲洗，然后于80～95℃下固化1～2h，即得具有超疏水性质的金属锆表面；

所述化学浸蚀液由15g/L的硼酸溶解在体积比为2∶5∶3的氢氟酸、硝酸和水的混合液中配制而成；

所述氟化物水溶液中的氟离子在阳极氧化溶液中的质量百分含量为0.27～0.56％，氟化物水溶液中的水在阳极氧化溶液中的质量百分含量为1.26～2.39％；

所述疏水处理液为含0.002～0.01mol/L硅氧烷低表面能物质和含水0.01～0.03mol/L的乙醇或甲醇溶液中的一种。

所述氟化物水溶液由氟化氨、氟化钾、氟化钠中的任意一种与水配制而成，或由氟化钠与六氟硅酸钠、四氟硼酸钠中的其中一种混合与水配制而成。

所述有机醇为乙二醇，或乙二醇与丙三醇、异丙醇、正丁醇中其中一种的混合醇液。

所述硅氧烷低表面能物质为：十二烷基三乙氧基硅烷或十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷。

所述锆材为锆质量百分含量大于98.0的纯锆及锆合金，以及锆质量百分含量大于55.0的锆铪合金、锆钽合金。

本发明具有下述优点：

1、通过本发明的步骤1、2和3之后，可在金属锆表面原位构筑纳/微粗糙结构，再通过步骤4对锆表面进行疏水化处理，从而得到金属锆超疏水表面。该金属锆超疏水表面具备优良的超疏水性质，与水滴的接触角可达到157-163°，滚动角小于3°，可满足工业领域对金属锆超疏水表面的需要。

2、本发明方法制备工艺简单、无需复杂设备，生产成本低，操作方便、重现性好，易于大批量制备和工业化生产。

3、采用本发明方法获得的金属锆超疏水表面，应用范围广：

(1)可用于锆材及其制品表面的自清洁和防腐蚀，降低维护成本。

(2)可用于锆材制成的管道内表面，能减小阻力，提高输运速度、降低输运成本。