[发明专利]一种抗雾微纳复合结构铜基超疏水表面的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学功能材料技术领域，涉及一种微纳复合结构铜基超疏水表面的制备方法，特别是关于一种抗雾微纳复合结构铜基超疏水表面的制备方法。

背景技术

铜及其合金因性能优良而在国民经济中应用广泛。如大部分的凝汽器、低压加热器和冷油器中的换热器件以及水冷发电机的空芯导线都使用铜或者铜合金；此外，海上军事工程中，舰船水管路系统中使用较多的也是一些铜及铜合金。但是这些铜基材料/铜制零部件在使用过程中，大部分需要暴露在潮湿环境中，由于铜表面能较高水分子易吸附聚集从而极易造成表面的污染和腐蚀，严重影响了铜产品的导热和导电性能给产品和设备的稳定工作带来了较大的危害。因此，铜基材料的抗污染、耐腐蚀工作变得至关重要！

滴落在低黏附超疏水表面上的宏观液滴能够呈现表观接触角大于150°的Cassie态接触，极易滚落。鉴于此，推测在低温高湿环境中水汽极有可能在低黏附超疏水表面上形成良好的滴状冷凝，并能迅速脱落，保持表面清洁干燥，从而达到提高传热和设备使用寿命的目的。这一点已经得到了宋永吉等[水蒸气在超疏水表面上的冷凝传热，工程热物理学报,2007,28(1):95-97]的证实。因此，低黏附超疏水表面技术使低温高湿环境中铜基材料的抗污染性、耐腐蚀性成为可能。

但是，现存的很多超疏水表面只对外加宏观水滴呈低黏附超疏状态(即Cassie态)，对潮湿环境中原位形成的微小液滴或雾化液滴则呈非超疏水态(即超疏水特性在水蒸气凝结条件下发生失效)或高黏附的超疏状态(即Wenzel态)，很难脱落。人们发现许多天然超疏水表面(如荷叶、芋头叶、蝴蝶翅膀等)，正是由于其自身特殊微纳结构赋予了它们优异的疏水性能。纳米结构的构建很容易利用成本低廉的湿化学方法完成，而目前微米结构阵列的构建，存在所需设备昂贵，工艺复杂等特点。但对金属而言，砂纸机械打磨，作为一项简单且环境友好型的技术，多年来主要用作表面平滑的手段，然而其具有潜在的微米和亚微米尺度的粗化表面的功能一直被忽视。结合Nosonovsky等[Roughnessoptimizationforbiomimeticsuperhydrophobicsurfaces[J].Micr osystTechnol,2005,11(7):535-549]提出的半球状顶部柱子阵列结构与锥体阵列结构为最优化的超疏水表面微观粗糙结构的观点。专利CN201310535080.6和CN201310532848.4涉及的ZnO纳米棒锥阵列刚好满足“半球状顶部柱子阵列结构与锥体阵列结构”的条件。

基于此，本发明结合砂纸定向打磨手段和湿化学合成纳米棒锥阵列技术开发一种抗雾性能微纳复合结构铜基超疏水表面的制备方法，该方法具有工艺简单、条件温和、过程绿色环保、成本低和适合工业化生产等特点；制备所得的微纳复合结构铜基超疏水表面具有优异的宏观疏水性能，并且雾化条件下能够明显地观察到普遍的水滴自脱附现象和强劲的滴状冷凝现象，表明该表面依然能够保持冷凝露滴的Cassie态接触，具有明显的抗凝露抗雾效果和良好的耐蚀性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种绿色环保、处理工序简单、条件温和、易操作、成本低，稳定性好的抗雾微纳复合结构铜基超疏水表面的制备方法，用以解决现有技术中的铜基超疏水表面技术存在的处理工序复杂、成本较高、稳定性较差、水蒸气凝结条件下发生超疏水特性失效等的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种抗雾微纳复合结构铜基超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：首先利用砂纸打磨在金属铜基底上构建规整微米级粗糙结构；然后在微米级粗糙结构表面制备纳米棒锥阵列结构，从而在铜基底表面构筑微纳分级复合结构；最后利用氟硅烷对具有微纳分级复合结构铜基底进行高温真空氟化，即制得所述的抗雾微纳复合结构铜基超疏水表面；

一种抗雾微纳复合结构铜基超疏水表面的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

1)微米结构的构建：分别利用单一型号砂纸按单一方向进行定向打磨，在金属铜片表面构建规整微米沟槽；或用两种不同型号砂纸的组合打磨的方法在金属铜片表面构建规整微米网格结构阵列；

2)基底清洗：将砂纸打磨过的铜片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗；随后依次用自来水和去离子水冲洗；最后，用无水乙醇淋洗，冷风吹干，备用；

3)微纳复合结构阵列的构建：在清洗过的构建有规整微米结构的铜基底表面上制备ZnO纳米棒锥阵列(阵列制备方法参考专利CN201310532848.4和CN201310535080.6中的教导完成)，构建出微纳复合结构阵列；