一种疏水金属材料及其制备方法
文献发布时间：2023-06-19 16:04:54
技术领域
本发明属于疏水材料制备技术领域，具体涉及一种疏水金属材料及其制备方法。
背景技术
近年来，疏水表面因其具备自清洁、油水分离、抗腐蚀、防结冰以及防雾等优秀特性，备受材料学家的青睐。金属材料在工业、建筑、交通和医疗等领域均有广泛应用。在上述领域，水及其他腐蚀性液体与金属材料表面相互作用频繁，使金属材料发生腐蚀，这使得疏水金属的制备变得尤为重要，这为疏水表面研究提供了广阔的应用前景。
现有制造金属疏水材料的主要方法，包括蚀刻法、喷涂法、溶胶-凝胶法，蒸汽诱导相分离法，气相沉积法等，并有学者们不断地提出的制备疏水金属材料的新工艺、新方法。疏水金属材料还没有可以正式投入生产使用的产品，大多数制备方法还存在实验条件苛刻、步骤繁琐、成本高等问题，无法工程化应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种疏水金属材料及其制备方法，制备方法简单、操作方便、成本低廉。
为达到上述目的，本发明提供了一种疏水金属材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：微纳米结构构建，将金属材料进行蚀刻液处理，取出后用超声清洗，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
S2：低表面能表面修饰，将处理后的金属材料放入具有硅烷类低表面能物的疏水处理液中浸渍，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
优选地，还包括金属材料表面预处理，去除金属材料表面氧化层的步骤具体是指用600-1000目的砂纸对金属进行均匀打磨，然后放入清水中超声清洗10～30分钟，以去除表面氧化层。
优选地，S1中将金属材料进行蚀刻液处理，取出后用超声清洗，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构具体是指将经处理后的金属放入非无机酸类蚀刻液中，在100℃～140℃处理1～3小时，取出后用清水超声清洗5～10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构。
优选地，非无机酸类蚀刻液是称取一定量的氢氧化钠、磷酸三钠、次氯酸钠或氯化氨，依次加入到水中，搅拌10～30分钟，配成均一的蚀刻液。
优选地，非无机酸类蚀刻液组成为：水83％～50％，氢氧化钠10～30％，磷酸三钠2％～5％，次氯酸钠或氯化氨5％～15％。
优选地，S2中将处理后的金属放入具有硅烷类低表面能物的疏水处理液中浸渍，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料具体是指将S1 处理后的金属放入疏水处理液中，室温下浸渍3～24小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
优选地，具有硅烷类低表面能物的疏水处理液是取一定量的硅烷类低表面能物，加入到乙醇水溶液中，搅拌10～30分钟，配置成均一的配成质量分数为3％～10％的硅烷乙醇水溶液；无水乙醇和去离子水的体积比为0.01:1～ 0.1:1。
优选地，硅烷类物质为二甲基硅油、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、硅烷偶联剂KH550、KH560等中的一种或多种的组合。
优选地，金属材料为碳钢合金(生铁、碳钢、铸铁)、不锈钢、铜或铜合金中的一种。
一种疏水金属材料，其特征在于，通过上述的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属材料，该材料是以金属材料为载体，通过处理得到表面获得微纳米乳突结构疏水金属材料。
本发明的有益效果：
(1)本发明所选用的金属材料可以是碳钢合金(生铁、碳钢、铸铁)、不锈钢、铜或铜合金的一种，应用范围比较广。
(2)本发明所选用的蚀刻溶液组成为水、氢氧化钠、磷酸三钠、次氯酸钠或氯化氨，相比与现有的技术采用无机酸类蚀刻剂，其腐蚀性更小，对设备要求更低，更容易操作；
(3)本发明所选用的低表面能物质为硅烷类物质，如二甲基硅油、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、硅烷偶联剂KH550、KH560等中的一种或多种，相于对现有的氟硅烷试剂，成本低廉，且环境更友好；
(4)采用本发明方法制备的疏水黑金属材料性能稳定、耐久性强、疏水效果好，在工业、交通、建筑、医疗等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种疏水金属材料及其制备方法的工艺流程图；
图2为未经过本专利方法处理的金属铜板的表面接触角(CA:57.36 °)；
图3为经过发黑处理的金属铜板的表面接触角(发黑后CA:5.71°)；
图4为本发明实施例2提供的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属的表面接触角(116.3°±1°)；
图5为本发明实施例3提供的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属的表面接触角(CA:139.05°±0.5°)；
图6为本发明实施例4提供的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属的表面接触角(CA:131.5°±1°)；
图7为本发明实施例5提供的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属的表面接触角(CA:132.75°)；
图8为本发明实施例6提供的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属的表面接触角(CA:128.5°)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种疏水金属材料及其制备方法进行详细描述。
一种疏水金属材料制备方法，包括以下步骤：
S1：微纳米结构构建，将金属材料进行蚀刻液处理，取出后用超声清洗，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
S2：低表面能表面修饰，将处理后的金属材料放入具有硅烷类低表面能物的疏水处理液中浸渍，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
还包括金属材料表面预处理，去除金属材料表面氧化层的步骤具体是指用600-1000目的砂纸对金属进行均匀打磨，然后放入清水中超声清洗10～30 分钟，以去除表面氧化层。
S1中将金属材料进行蚀刻液处理，取出后用超声清洗，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构具体是指将经处理后的金属放入非无机酸类蚀刻液中，在100℃～140℃处理1～3小时，取出后用清水超声清洗5～ 10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构。
非无机酸类蚀刻液是称取一定量的氢氧化钠、磷酸三钠、次氯酸钠或氯化氨，依次加入到水中，搅拌10～30分钟，配成均一的蚀刻液。
非无机酸类蚀刻液组成为：水83％～50％，氢氧化钠10～30％，磷酸三钠 2％～5％，次氯酸钠或氯化氨5％～15％。
S2中将处理后的金属放入具有硅烷类低表面能物的疏水处理液中浸渍，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料具体是指将S1处理后的金属放入疏水处理液中，室温下浸渍3～24小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
具有硅烷类低表面能物的疏水处理液是取一定量的硅烷类低表面能物，加入到乙醇水溶液中，搅拌10～30分钟，配置成均一的配成质量分数为3％～10％的硅烷乙醇水溶液；无水乙醇和去离子水的体积比为0.01:1～0.1:1。
相比于甲醇，乙醇更加环保，而相比于其他醇，乙醇价格更加低廉易得。
硅烷类物质为二甲基硅油、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、硅烷偶联剂KH550、 KH560等中的一种或多种的组合。
金属材料为碳钢合金(生铁、碳钢、铸铁)、不锈钢、铜或铜合金中的一种。
一种疏水金属材料，其特征在于，通过上述的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属材料，该材料是以金属材料为载体，通过处理得到表面获得微纳米乳突结构疏水金属材料。
实施例1
一种疏水金属材料制备方法，包括以下步骤：
①.金属表面预处理：首先用600～1000目的砂纸对金属进行均匀打磨，
然后放入清水中超声清洗10～30分钟，以去除铜表面氧化层。
②.蚀刻液的配置：称取一定量的氢氧化钠、磷酸三钠、次氯酸钠或氯化氨，依次加入到水中，搅拌10～30分钟，配成均一的蚀刻液；蚀刻液组成为：水83％～50％，氢氧化钠10～30％，磷酸三钠2％～5％，次氯酸钠或氯化氨5％～15％。
③.疏水处理液的配置：取一定量的硅烷类低表面能物，加入到乙醇水溶液中，搅拌10～30分钟，配置成均一的配成质量分数为3％～10％的硅烷乙醇水溶液；无水乙醇和去离子水的体积比为0.01:1～0.1:1；
④.微纳米结构的构建：将经处理后的金属放入蚀刻液②中，在100℃～
140℃处理1～3小时，取出后用清水超声清洗5～10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
⑤.低表面能表面修饰：将上述处理后的金属放入疏水处理液③中，室温下浸渍3～24小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
一种疏水金属材料，通过上述的一种疏水金属材料制备方法制备的疏水金属材料，该材料是以金属材料为载体，通过处理得到表面获得微纳米乳突结构疏水金属材料。
确定最佳工艺参数
实验测定接触角
接触角：是指在固、液、气三相交界处，自固-液界面经过液体内部到气 -液界面之间的夹角。
疏水：是表观接触角CA>90℃时的水。
疏水金属:是一种新型材料，它可以自行清洁需要干净的地方，还可以放在金属表面防止外界的腐蚀。
发黑是化学表面处理的一种常用手段，原理是使金属表面产生一层氧化膜，以隔绝空气，达到防锈目的，通常也用来在金属表面防止外界的腐蚀
图2为未经过本专利方法处理的金属铜板的表面接触角(CA:57.36 °)；
图3为经过发黑处理的金属铜板的表面接触角(发黑后CA:5.71°)；
实施例2：
一种疏水金属材料制备方法，包括以下步骤：
①.金属表面预处理：首先用1000目的砂纸对金属进行均匀打磨，然后放入清水中超声清洗10分钟，以去除紫铜表面氧化层。
②.蚀刻液的配置：称取10g氢氧化钠、5g磷酸三钠、5g氯化氨，依次加入到80ml水中，搅拌10分钟，配成均一的蚀刻液；
③.疏水处理液的配置：取5g硅烷偶联剂KH550，5g水，加入90g乙醇中，搅拌20分钟，配置成均一的3-氨基丙基三乙氧基硅烷乙醇水溶液；
④.微纳米结构的构建：将经处理后的金属放入蚀刻液②中，在105℃处理 1小时，取出后用清水超声清洗10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
⑤.低表面能表面修饰：将上述处理后的金属放入疏水处理液③中，室温下浸渍3小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
最后将处理好的疏水金属材料进行接触角测量，每块测至少三次，测量其接触角取平均值为116.3°±1°，如图4所示。
实施例3：
一种疏水金属材料制备方法，包括以下步骤：
①.金属表面预处理：首先用600目的砂纸对金属进行均匀打磨，然后放入清水中超声清洗10分钟，以去除紫铜表面氧化层；
②.蚀刻液的配置：称取10g氢氧化钠、5g磷酸三钠、15g氯化氨，依次加入到70ml水中，搅拌10分钟，配成均一的蚀刻液；
③.疏水处理液的配置：取10g硅烷偶联剂KH550，5g水，加入85g乙醇中，搅拌20分钟，配置成均一的3-氨基丙基三乙氧基硅烷乙醇水溶液；
④.微纳米结构的构建：将经处理后的金属放入蚀刻液②中，在125℃处理 1小时，取出后用清水超声清洗10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
⑤.低表面能表面修饰：将上述处理后的金属放入疏水处理液③中，室温下浸渍15小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
最后将处理好的疏水金属材料进行接触角测量，每块测至少三次，测量其接触角取平均值为139.05°±0.5°，如图5所示。
实施例4：
一种疏水金属材料制备方法，包括以下步骤：
①.金属表面预处理：首先用800目的砂纸对金属进行均匀打磨，然后放入清水中超声清洗10分钟，以去除紫铜表面氧化层。
②.蚀刻液的配置：称取10g氢氧化钠、5g磷酸三钠、10g氯化氨，依次加入到60ml水中，搅拌10分钟，配成均一的蚀刻液；
③.疏水处理液的配置：取10g硅烷偶联剂KH550，5g水，加入85g乙醇中，搅拌20分钟，配置成均一的3-氨基丙基三乙氧基硅烷乙醇水溶液；
④.微纳米结构的构建：将经处理后的金属放入蚀刻液②中，在140℃处理 3小时，取出后用清水超声清洗10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
⑤.低表面能表面修饰：将上述处理后的金属放入疏水处理液③中，室温下浸渍24小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。最后将处理好的疏水金属材料进行接触角测量，每块测至少三次，测量其接触角取平均值为131.5°±1°，如图6所示。
经过对比未经处理、发黑处理、实施例2-4疏水处理接触角数据可知, 经疏水处理的紫铜比未经处理、发黑处理的紫铜的接触角增大，疏水提高，提高防止外界的腐蚀的特性；对比实施例2-4疏水处理接触角数据，可知实施例3的接触角最大，疏水最高，实施例3为最佳参数实施例。
实施例5
一种疏水金属材料制备方法，包括以下步骤：
①.金属表面预处理：首先用600目的砂纸对金属进行均匀打磨，然后放入清水中超声清洗10分钟，以去除金属表面氧化层。
②.蚀刻液的配置：称取33g氢氧化钠、2g磷酸三钠、10次氯酸钠，依次加入到55ml水中，搅拌10分钟，配成均一的蚀刻液；
③.疏水处理液的配置：取4g二甲基硅油，6g水，加入90g乙醇中，搅拌 15分钟，配置成均一的二甲基硅油乙醇水溶液；
④.微纳米结构的构建：将经处理后的金属放入蚀刻液②中，在135℃处理 1小时，取出后用清水超声清洗10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
⑤.低表面能表面修饰：将上述处理后的金属放入疏水处理液③中，室温下浸渍10小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
金属为20#碳钢，最后将处理好的疏水金属材料进行接触角测量，每块测至少三次，测量其接触角取平均值为132.75°，如图7所示。
实施例6
一种疏水金属材料制备方法，包括以下步骤：
①.金属表面预处理：首先用800目的砂纸对金属进行均匀打磨，然后放入清水中超声清洗10分钟，以去除金属表面氧化层。
②.蚀刻液的配置：称取20g氢氧化钠、5g磷酸三钠、20g次氯酸钠，依次加入到55ml水中，搅拌10分钟，配成均一的蚀刻液；
③.疏水处理液的配置：取5g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，5g水，加入90g 乙醇中，搅拌20分钟，配置成均一的3-氨基丙基三乙氧基硅烷乙醇水溶液；
④.微纳米结构的构建：将经处理后的金属放入蚀刻液②中，在135℃处理 3小时，取出后用清水超声清洗10分钟，在氮气氛围中干燥，使金属表面获得微纳米乳突结构；
⑤.低表面能表面修饰：将上述处理后的金属放入疏水处理液③中，室温下浸渍15小时，取出后用水冲冼，烘干，得到疏水性能良好金属材料。
金属为06Cr18Ni10(SS304)不锈钢，最后将处理好的疏水金属材料进行接触角测量，每块测至少三次，测量其接触角取平均值为128.5°，如图8所示。
本法明对铜、20#碳钢、06Cr18Ni10(SS304)不锈刚均进行了疏水处理处理后，接触角均大于90度，具有较好疏水性，，应用范围比较广。
以上，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。