CN102618913B - 一种制备钛或钛合金超疏水表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备钛或钛合金超疏水表面的方法，其特征是将作为阳极的钛或钛合金和阴极平行对称放置，并通过导线与直流电源相连，钛或钛合金接正极，阴极接负极，然后将其放入电解液中，接通电源开始电化学刻蚀；所采用的电解液为NaCl或NaBr水溶液；刻蚀完成后将钛或钛合金清洗，吹干；将得到的钛或钛合金表面用低表面能材料进行修饰，取出后烘干，即得到钛或钛合金超疏水表面；所采用的低表面能材料包括氟硅烷、硬脂酸、棕榈酸、月桂酸或肉豆蔻酸。本发明工艺简单，快速高效，可控性好，特别是中性电解液的使用使得该方法更加安全，环保，在航空、航天、舰船等领域有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理，特别涉及到一种电化学制备钛或钛合金超疏水表面的工艺方法。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、耐热性好、耐腐蚀等优良特性，超疏水表面具有自清洁、减阻减摩、防结霜、抑制表面腐蚀等特点。因此，发明钛或钛合金超疏水表面制备方法，对航空、航天、舰船、兵器等工业发展有着极其重要的意义。
制备钛或钛合金超疏水表面一般需要两个步骤：一是对其表面进行粗糙化处理，构建微纳米粗糙结构；二是降低其表面能，通常利用低表面能物质硅烷、氟硅烷或硬脂酸等来修饰所获得的粗糙结构。Qu等通过在钛基底上制备导电聚苯胺纳米管薄膜制备超疏水表面(M.N.Qu，G.Y.Zhao，X.P.Cao，J.Y.Zhang，Langmuir 2008，24，4185)，Fujishima等利用印刷法在钛基底制备了超疏水表面(K.Nakata，S.Nishimoto，A.Kubo，D.Tryk，T.Ochiai，T.Murakami，A.Fujishima，Chem.Asian J.2009，4，984)，上述方法需要较多的步骤以及较长的加工时间。Lin等利用电化学法制备超疏水钛表面，以铂金为阴极，氢氟酸为电解液(Y.K.Lai，C.J.Lin，J.Y.Huang，H.F.Zhuang，L.Sun，T.Nguyen，Langmuir，2008，24，3867)，由于铂金是贵重金属，使得该方法成本较高，氢氟酸属于强酸，并具有较强的氧化性，会对环境造成污染。利用强酸或强碱制备超疏水钛表面的还有中国专利200810183386.9，Chen等(A.C.Chen，X.S.Peng，K.Koczkur，B.Miller，Chem.Commun.2004，1964)和Ivanova等(E.P.Ivanova，V.K.Truong，J.Y.Wang，C.C.Berndt，R.T.Jones，I.I.Yusuf，I.Peake，H.W.Schmidt，C.Fluke，D.Barnes，R.J.Crawford，Langmuir，2010，26，1973)，这些方法会在较大程度上对环境造成污染。
电化学刻蚀法是一种简单，高效，可控性好的传统技术。使用电化学法构造超疏水表面的粗糙结构具有操作简单方便、加工时间短等优点。此外，与上述制备钛或钛合金超疏水表面的方法相比，本发明使用中性电解液，避免强酸强碱溶液的使用，使得加工过程更加环保，操作人员更加安全。目前，采用中性电解液的电化学法制备钛或钛合金超疏水表面的方法尚无文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种安全、环保、加工过程简单且加工效率高的方法来制备钛或钛合金超疏水表面。为了解决上述技术问题，本发明提供构建钛或钛合金超疏水表面的工艺方法，包括如下步骤：
(1)将金属钛或钛合金清洗除油；
(2)将钛或钛合金和阴极平行对称放置，并通过导线与直流电源相连，钛或钛合金接正极，阴极接负极，然后将其放入盛有电解液的容器中，接通电源开始电化学刻蚀；所采用的电解液为NaCl或NaBr水溶液；刻蚀完成后将钛或钛合金清洗，吹干；
(3)将步骤(2)得到的钛或钛合金表面用低表面能材料进行修饰，取出后烘干，即得到钛或钛合金超疏水表面；所采用的低表面能材料包括氟硅烷、硬脂酸、棕榈酸、月桂酸或肉豆蔻酸。
本发明与现有的钛或钛合金超疏水表面制备技术相比具有以下优点：
(1)本发明无需复杂的加工装置和操作步骤，且极易大面积制备。
(2)本发明采用中性电解液，无需强酸、强碱，反应过程中无刺激性气体产生，对操作人员和环境的危害小。
(3)本发明的加工效率高，只需几分钟的时间就可得到超疏水表面所需的二元微纳米粗糙结构。
(4)本发明得到的钛或钛合金超疏水表面具有较好的超疏水性能，对水的接触角大于150°，滚动角小于5°。
附图说明
图1为实施例1的加工装置示意图。
图2为实施例1获得的钛超疏水表面的扫描电镜图。
图3为实施例1获得的钛超疏水表面的扫描电镜图。
图4为实施例1获得的钛超疏水表面的扫描电镜图。
图5为实施例1获得的钛超疏水表面的疏水示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
(1)将钛板和阴极铜板切割成20mm×30mm，实际加工面积为20mm×20mm，其余部分用于装夹和导电。加工前，对钛板和阴极铜板依次使用无水乙醇和去离子水超声波清洗，吹干。
(2)将钛板和阴极铜板平行对称固定，两板间距为10mm，两板通过导线与直流电源相连，钛板接电源正极，阴极铜板接电源负极；将两板放入盛有0.2mol/L NaCl水溶液中；接通直流电源，开始加工，电流密度为1A/cm2。加工时溶液温度为室温(约25℃)，加工时间为3min。
(3)加工完成后将钛板用去离子水冲洗，吹干，最后将其放入配制好的质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中，在室温下浸泡2h后取出，放入烘箱中，在80℃下烘15min，取出后在空气中冷却到室温，即可得到超疏水表面。水滴在钛或钛合金超疏水表面上的接触角为153°，滚动角为2°。如果使用硬脂酸、棕榈酸、月桂酸或肉豆蔻酸等来降低表面能时，接触角都会超过150°。
实施例2
(1)将钛板和阴极铜板切割成20mm×30mm，实际加工面积为20mm×20mm，其余部分用于装夹和导电。加工前，对钛板和阴极铜板依次使用无水乙醇和去离子水超声波清洗，吹干。
(2)将钛板和阴极铜板平行对称固定，两板间距为10mm，两板通过导线与直流电源相连，钛板接电源正极，阴极铜板接电源负极；将两板放入盛有0.2mol/L NaBr水溶液中；接通直流电源，开始加工，电流密度为0.5A/cm2。加工时溶液温度为室温(约25℃)，加工时间为15min。
(3)加工完成后将钛板用去离子水冲洗，吹干，最后将其放入配制好的质量分数为1％的硬脂酸乙醇溶液中，在室温下浸泡2h后取出，放入烘箱中，在80℃下烘15min，取出后在空气中冷却到室温，即可得到超疏水表面。水滴在钛或钛合金超疏水表面上的接触角为161°，滚动角为2°。如果使用氟硅烷、棕榈酸、月桂酸或肉豆蔻酸等来降低表面能时，接触角都会超过150°。
Claims (1)
1.一种制备钛或钛合金超疏水表面的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将钛或钛合金清洗除油；
（2）将作为阳极的钛或钛合金和阴极平行对称放置，并通过导线与直流电源相连，钛或钛合金接正极，阴极接负极，然后将其放入电解液中，接通电源开始电化学刻蚀；所采用的电解液为NaCl或NaBr水溶液；刻蚀完成后将钛或钛合金清洗，吹干；
（3）将步骤（2）得到的钛或钛合金表面用低表面能材料进行修饰，取出后烘干，即得到钛或钛合金超疏水表面；所采用的低表面能材料包括氟硅烷、硬脂酸、棕榈酸、月桂酸或肉豆蔻酸；
经过上述方法，得到所述钛或钛合金超疏水表面的二元微纳米粗糙结构，其具有超疏水性能，对水的接触角大于150°，滚动角小于5°。
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