一種鋁材各向異性超疏水表面及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種侶材各向異性超疏水表面的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物體中特殊的微米-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可賦予其特殊的表面特性，典型的就是具有 "荷葉效應(yīng)的植物葉表面"（如荷葉等）和昆蟲翅膀（如贈(zèng)、蝴蝶翅膀等）的超疏水特性。而 生物體中特殊的各向異性微納結(jié)構(gòu)，則具有了運(yùn)些結(jié)構(gòu)所賦予的一些特殊的潤(rùn)濕性能。例 如水稻葉子具有各向異性分級(jí)結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出超疏水性。水稻葉子表面的微乳突排列呈現(xiàn) 各向異性，并且運(yùn)些微乳突的準(zhǔn)一維的排列方向與葉邊緣呈平行分布。因此，水稻葉表面呈 現(xiàn)出各向異性潤(rùn)濕性，水滴可W輕易地沿著與葉邊緣平行的方向滾動(dòng)，從而引導(dǎo)雨水流向。 蝴蝶翅膀表面具有的微米級(jí)的薄片堆疊構(gòu)型W及薄片之間形成的納米級(jí)條紋結(jié)構(gòu)，使其具 有各向異性潤(rùn)濕特性。水滴在該結(jié)構(gòu)表面沿著主軸線向翅膀外側(cè)定向滾動(dòng)，而不會(huì)向身體 方向滾動(dòng)。運(yùn)種結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在并有良好的實(shí)用性，受此啟發(fā)，各國(guó)的科研工作者 運(yùn)用仿生學(xué)的思路與方法，不斷探究自然界中的各向異性微納結(jié)構(gòu)及其特性，并進(jìn)一步把 運(yùn)些已經(jīng)存在的各向異性微納結(jié)構(gòu)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中去。
[0003] 各向異性超疏水表面具有特殊的潤(rùn)濕行為，在定向冷凝集水、滴狀冷凝傳熱和定 向除霜除冰，W及微流體、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。隨著各種研究技術(shù)的 不斷進(jìn)步發(fā)展，人們對(duì)各向異性微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛而深入的研究。例如，在研究了水稻葉 子表面的微納結(jié)構(gòu)后，化ng等認(rèn)為水稻葉子表面微乳突結(jié)構(gòu)的排列影響了其潤(rùn)濕性能，他 們?cè)O(shè)計(jì)了潤(rùn)濕性可調(diào)的碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)，從而液滴只會(huì)沿著特定的方向滾動(dòng)，而不會(huì)像 荷葉表面液滴那樣可W沿著任意方向滾動(dòng)，并且在沿著"凹槽"方向的滾動(dòng)角大小和垂直于 "凹槽"方向的滾動(dòng)角大小不同【FengLetal.AdvMater. 2002, 14:1857】。Qien等用飛秒 激光光刻法在娃基片表面制得了各向異性微納結(jié)構(gòu)，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)娃基 片上形成了相互平行的帶狀結(jié)構(gòu)，且?guī)Ш蛶У拈g隙寬度為500~1500μm，帶本身的寬度是 200μm【ChenF,ZhangD.etal.Langmuir. 2007,23:6212】。除此W外，也有學(xué)者利用電火 花加工法、模板法制備定向微結(jié)構(gòu)，或是利用傾角氣相沉積、定向變形來(lái)獲得各向異性的微 結(jié)構(gòu)，從而使得各個(gè)方向的潤(rùn)濕性出現(xiàn)差異性。雖然現(xiàn)有的技術(shù)能實(shí)現(xiàn)差異化潤(rùn)濕性，但一 般只能具有疏水性，或是不能在兩個(gè)方向都具有超疏水性，至少在一個(gè)方向上，水滴的滾動(dòng) 角大于10°，難W滾動(dòng)，且往往與表面呈Wenzel潤(rùn)濕態(tài)接觸，粘附力大，運(yùn)非常不利于運(yùn)種 表面應(yīng)用于定向冷凝集水、滴狀冷凝傳熱和定向除霜除冰，因?yàn)檫\(yùn)些領(lǐng)域不但要求水滴運(yùn) 動(dòng)有各向異性，還要求在各個(gè)方向都要呈化ssie復(fù)合態(tài)接觸，黏附小，W便于脫附。
[0004] 各向異性微納結(jié)構(gòu)相對(duì)于荷葉表面規(guī)則的乳突狀結(jié)構(gòu)而言，具有特殊的潤(rùn)濕性。 尤其是W溝槽結(jié)構(gòu)為代表的各向異性微納結(jié)構(gòu)，其在不同方向呈現(xiàn)不同的潤(rùn)濕性，具有廣 闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種可大規(guī)模應(yīng)用的侶材各向異性超疏水表面及其制備方法，簡(jiǎn)單易 行
[0006] 技術(shù)方案為：一種侶材各向異性超疏水表面的制備方法，包括下列步驟：
[0007] (1)定向結(jié)構(gòu)構(gòu)建：將侶或侶合金材料固定，先用工具進(jìn)行定向粗打磨10-20次， 隨后再同向進(jìn)行定向細(xì)打磨10-20次；
[0008] (2)堿洗：把打磨后的試樣先后分別在丙酬、酒精和去離子水中超聲清洗干凈，吹 干后浸入稀堿溶液中清洗，去離子水清洗，吹干后備用；
[0009] (3)納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建：在去離子水中加入表面活性劑和按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 3-2%的Ξ乙 醇胺，加熱煮沸后，放入打磨并堿洗后的試樣，充分反應(yīng)后，停止加熱，待溶液冷卻后，取出 試樣，洗凈吹干；
[0010] (4)化學(xué)改性：將試樣浸泡在氣硅烷乙醇溶液中，水浴反應(yīng)后用熱乙醇清洗吹干， 最后置于烘箱中干燥，即制備出具有各向異性超疏水侶合金表面。
[0011] 步驟（1)中所述粗打磨工具包括150-240粒度的工業(yè)百潔布、80-400目的粗金相 砂紙、鋼絲直徑0. 3-0. 5mm的鋼絲刷，所述細(xì)打磨工具包括320-1000粒度的工業(yè)百潔布、 600-1200目的金相砂紙、鋼絲直徑0.1-0.2mm的鋼絲刷
[0012] 步驟（3)中表面活性劑的加入量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 01-1%。
[0013] 步驟（3)中所述的表面活性劑為非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、Tween 20、Span80或氣碳表面活性劑中的任一中或多種混合使用。
[0014] 所述的非離子表面活性劑為聚氧化乙基胺，陰離子表面活性劑為十二烷基硫酸鋼
[0015] 所述的氣硅烷乙醇溶液的濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1. 0%。
[0016] 步驟（4)中水浴溫度為60°C，時(shí)間為30min。
[0017] 基于所述的侶材各向異性超疏水表面的制備方法的侶材各向異性超疏水表面，是 指沿著定向打磨方向，侶片具有超疏水性，接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°，呈化ssie 復(fù)合態(tài)接觸，而垂直于打磨方向，接觸角無(wú)變化，但滾動(dòng)角在10-20°之間，水滴更易于沿著 打磨時(shí)形成的條紋/凹槽的平行方向運(yùn)動(dòng)。
[0018] 有益效果
[0019] (1)粗打磨可制備較大尺寸的條紋/凹槽結(jié)構(gòu)，細(xì)打磨一方面降低條紋/凹槽結(jié)構(gòu) 尺寸，另一方面形成一些更細(xì)的條紋/凹槽結(jié)構(gòu)，接著進(jìn)行的堿洗不但可去除表面的氧化 皮和油污，活化表面，還可構(gòu)建納米凹坑結(jié)構(gòu)，提高堿性沸水處理制備的納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn) 定性。
[0020] (2)粗磨、細(xì)磨、堿洗和弱堿煮各個(gè)工藝過(guò)程，均可在侶材表面形成不同尺度的粗 糖結(jié)構(gòu)，從而獲得了多級(jí)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，運(yùn)使得試樣沿著定向打磨方向，侶片具有超疏水 性，接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°，呈化ssie復(fù)合態(tài)接觸，而垂直于打磨方向，接觸角 無(wú)變化，但滾動(dòng)角在10-20°之間，水滴更易于沿著打磨時(shí)形成的條紋/凹槽的平行方向運(yùn) 動(dòng)；
[0021] (3)去離子水中加入弱堿性Ξ乙醇胺，可促進(jìn)氧化過(guò)程，提高納米結(jié)構(gòu)的耐蝕性；
[0022] (4)去離子水中加入表面活性劑，可降低表面張力，增加試樣與溶液的接觸面積， 有利于納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)；
[0023](5)本發(fā)明采用普通的具有粗糖面的工具，對(duì)侶材進(jìn)行定向打磨，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的堿 洗和堿性沸水處理，即可獲得各向異性粗糖結(jié)構(gòu)，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)污染，可大規(guī)模應(yīng)用；
[0024] (6)可通過(guò)百潔布、砂紙或鋼絲刷的型號(hào)調(diào)整，定向打磨時(shí)力度大小、定向打磨的 次數(shù)等來(lái)制備不同形貌的定向結(jié)構(gòu)，也可同時(shí)應(yīng)用與其它金屬材料。
【附圖說(shuō)明】：
[00巧]圖1為實(shí)驗(yàn)流程示意圖。 陽(yáng)0%] 圖2為實(shí)例1中2024侶合金經(jīng)80目砂紙定向粗打磨后的照片。
[0027] 圖3為實(shí)例1中2024侶合金經(jīng)80目砂紙定向粗打磨后再用600目細(xì)砂紙定向細(xì) 打磨后的照片。
[0028] 圖4為實(shí)例1中2024侶合金沸水處理后的掃描電鏡圖。
[0029] 圖5為實(shí)例1中2024侶合金表面改性后沿著定向打磨方向5μL水滴的靜態(tài)接觸 角照片。
[0030] 圖6為實(shí)例1中2024侶合金表面改性后垂直于定向打磨方向5μL水滴的靜態(tài)接 觸角照片。
[0031] 圖7為實(shí)例4中2024侶合金經(jīng)240目工業(yè)用百潔布定向粗打磨后的照片。
[0032] 圖8為實(shí)例4中2024侶合金經(jīng)240目工業(yè)用百潔布定向粗打磨后再用400目工 業(yè)用百潔布細(xì)定向細(xì)打磨后的照片。 陽(yáng)03引 圖9為實(shí)例5中2024侶合金用直徑為0. 32mm粗鋼絲刷定向粗打磨后的照片。
[0034] 圖10為實(shí)例5中2024侶合金直徑為0. 32mm粗鋼絲刷定向粗打磨后再用直徑為 0. 18mm細(xì)鋼絲刷定向細(xì)打磨后的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 一種侶材各向異性超疏水表面的制備技術(shù)，包括如下處理步驟：
[0036] (1)定向結(jié)構(gòu)構(gòu)建：將侶或侶合金材料固定，先用工具進(jìn)行定向粗打磨10-20次， 隨后再同向進(jìn)行定向細(xì)打磨10-20次，所述粗打磨工具可W是150-240粒度的工業(yè)百潔 布，或80-400目的粗金相砂紙，或鋼絲直徑0. 3-0. 5mm的鋼絲刷，所述細(xì)打磨工具可W是 320-1000粒度的工業(yè)百潔布，或600-1200目的金相砂紙，或鋼絲直徑0. 1-0. 2mm的鋼絲刷， 不同類別的粗打磨和細(xì)打磨工具可交叉使用；
[0037] (2)堿洗：把打磨后的試樣先后分別在丙酬、酒精和去離子水中超聲清洗5min，吹 干后浸入濃度為0. 2mol/L的化0H溶液中60s，用去離子水清洗，吹干后備用；
[0038] (3)納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建：在去離子水中按質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 3-2%加入Ξ乙醇胺，加 入0. 01-1 %表面活性劑，加熱煮沸后，放入打磨并堿洗后的試樣，30-90min后，停