[发明专利]一种基于钢基体超疏水功能表面的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及对钢基体表面进行电镀处理、水热反应及氟化修饰，从而使钢表面获得超疏水功能的制备方法。

背景技术

超疏水表面具有重要的意义：在生活中，如防水桌布、防水雨衣、汽车防护罩等；在生物领域，如蛋白质吸附研究、控制药物释放等；在工业生产中，如提高基体的耐蚀性、减租功能，减小船舶等与水流的摩擦阻力等。

自然界中一些具有特殊润湿性的生物表面(如荷叶)给研究者提供了诸多启发，研究发现，微观几何结构和表面化学成分共同决定着材料表面的疏水性。本专利以此为灵感，在金属材料表面开发制备一种基于钢基体超疏水功能表面。

尽管近年来国内外许多研究人员公开发表了许多关于超疏水表面的制备技术，涉及到的基体材料有棉纤维，玻璃，硅片，铝、锌等少数金属材料，但是在钢基体表面制备超疏水表面的研究较少。目前成功制备超疏水表面的方法主要有：等离子刻蚀法、气相沉积法、静电纺丝法、阳极氧化法等，尽管这些方法也成功制备了超疏水表面，但仍存在设备昂贵、工艺条件苛刻等问题，限制了这些方法的推广使用。

电镀技术常被用来金属表面防护和装饰加工手段，本专利打破单一传统防护功能，通过电镀得到微米化粗糙结构的镀锌层，纳米电镀([日]，渡辺辙，化学工业出版社，2006，9)介绍了一定主盐浓度的电镀液，通过调节电镀参数得到的镀层表面的微观形貌。对此加以利用，结合水热反应过程中氧化锌的生长得到进一步细化的纳米结构，会开发一条同时具有防腐蚀性和超疏水性的制备方法。

本发明通过一系列简单的工艺过程在钢基体表面构建微纳米结构，并结合氟化处理，形成超疏水表面，工艺过程简单，成本低，实用性较强，适合工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单的基于钢基体超疏水功能表面的制备方法。

本发明的钢基体上的超疏水功能表面是由钢表面镀锌层的微纳米结构和氟化处理共同实现的。

本发明先在钢基体表面进行电镀处理，得到一层具有微米级粗糙结构的镀锌层，然后再通过水热反应在微米结构表面生长出一层氧化锌纳米棒阵列，其晶体结构如图1所示，表面形貌如图2所示，从而得到微纳米复合结构的粗糙表面，最后经过低表面能物质的修饰得到超疏水表面。

一种钢基体超疏水功能表面的制备方法，其特征在于该方法依次包括以下几个步骤：

1)用金相水砂纸打磨钢试样表面去除表面的氧化物和油污至2000#，然后分别用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超生清洗打磨好的试样，进入下一步；

2)将上述处理好的试样在60℃的碱洗液中除油15min，然后室温下在酸洗液中酸洗活化10s，取出后大量水洗，快速干燥并快速进行下一步；

3)上述处理好的钢试样为阴极，纯锌板为阳极，在ZnSO₄﹒7H₂O的电镀液中进行电镀，电镀液温度为25-75℃，电流密度为9A/dm²，电镀时间为6-30min，反应结束后超声清洗去除表面残留液体，得到微米结构粗糙化的表面，进入下一步；

4)将表面含有镀锌层的钢试样放入到装有由氨水、无水乙醇和蒸馏水组成 的混合溶液的反应釜中，将反应釜放入恒温干燥箱中，在95℃下保温2-36h，得到微纳米复合结构的表面，表面形貌如图2所示，取出后清洗，干燥，进入下一步；

5)将步骤4)得到的试样放入到全氟辛酸无水乙醇溶液中浸泡11天，取出后放入到培养皿中，在室温条件下晾干得到超疏水表面。

步骤1)中所用的钢基体为X90管线钢。

步骤2)中所用的碱洗液是30g/L的NaOH、20g/L的Na₂CO₃、20g/L的Na₂PO₄、10g/L的Na₂SiO₃组成的混合溶液；酸洗液是实际分数为10％的H₂SO₄水溶液。

步骤3)所述电镀液为240g/L的ZnSO₄﹒7H₂O水溶液，用10％的H₂SO₄调节电镀液的PH值为4左右。

步骤4)中所述的混合液中氨水与无水乙醇与蒸馏水的体积比为1：10：9。

本发明步骤5)中所述的全氟辛酸无水乙醇浓度为0.01mol/L。