專利名稱：具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的鋁箔梯度潤(rùn)濕性表面的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的鋁箔梯度潤(rùn)濕性表面的制備方法。
背景技術(shù)：
梯度潤(rùn)濕表面(潤(rùn)濕性連續(xù)變化)在蛋白質(zhì)吸附、細(xì)胞粘著、微流控以及強(qiáng)化傳熱等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。梯度潤(rùn)濕表面水滴的定向運(yùn)動(dòng)最早由Greenspan于1978年預(yù)測(cè)[H. P. Greenspan, J. Fluid Mech. , 1978,84，125]。直至 1992 年，Chaudhury 和Whitesides才運(yùn)用娃燒氣相擴(kuò)散法在Icm長(zhǎng)度內(nèi)獲得了漸進(jìn)地化學(xué)修飾[M. K. Chaudhury, G.M-Whitesides. Science. 1992，256，1539]，制備了 97。-25。的潤(rùn)濕性梯度，并實(shí)現(xiàn)了水滴往親水端的定向移動(dòng)，驗(yàn)證了上述預(yù)測(cè)。自此，基于多種化學(xué)修飾、替代或降解的時(shí)間控制技術(shù)，硅、玻璃、金屬等基底的浸潤(rùn)性梯度化表面相繼被報(bào)道。近幾年來(lái)，超疏水-超親水梯 度變化表面也被逐漸報(bào)道。例如，通過(guò)控制硫醇分子在金粗糙表面的梯度修飾，清華大學(xué)張希課題組獲得了超疏水-超親水梯度潤(rùn)濕表面，在2. 5cm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了接觸角從156°到小于 10。的大尺度梯度[X. Yu, Z. Wang, Y. Jiang, et al. Langmuir, 2006, 22:4483]。除此以夕卜，還有然而，潤(rùn)濕性梯度化技術(shù)目前主要應(yīng)用于金和硅片表面，工藝較復(fù)雜，不易控制，成本較高，且梯度覆蓋長(zhǎng)度較小，一般都小于4cm。同時(shí)，所使用的藥品多具有污染性，不環(huán)保、不安全。普通金屬的梯度潤(rùn)濕表面的低成本制備技術(shù)鮮有報(bào)道。鋁箔具有低廉、質(zhì)輕、可延展、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等顯著優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。鋁箔表面的梯度潤(rùn)濕性的構(gòu)建，將在食品包裝、生物檢測(cè)、強(qiáng)化傳熱等方面有廣闊的應(yīng)用前
旦
-5^ O

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的鋁箔梯度潤(rùn)濕性表面的制備方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的鋁箔梯度潤(rùn)濕性表面的制備方法，其特征在于所述方法包括下列步驟(I)預(yù)處理將5cm-20cm長(zhǎng)的條帶狀招箔經(jīng)丙酮、去離子水超聲清洗各5min,吹干后浸入摩爾濃度為lmol/L的NaOH水溶液中處理30_60s，然后用去離子水清洗，吹干后備用；(2)鋁箔納米粗糙表面制備以磷酸和丙三醇組成的混合水溶液為電解液，陽(yáng)極和陰極均為相同尺寸大小的條帶狀鋁箔，兩極平行正對(duì)放置，間距40mm，在室溫及恒電流密度模式下，陽(yáng)極氧化180min，所述電流密度為3. 2mA/cm2，氧化結(jié)束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，即可在正對(duì)陰極的陽(yáng)極條帶狀鋁箔表面獲得納米粗糙結(jié)構(gòu)，所述的磷酸和丙三醇組成的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇組成的混合水溶液，其中磷酸的質(zhì)量濃度為50g/L，丙三醇的質(zhì)量濃度為25g/L ；
(3)梯度潤(rùn)濕性構(gòu)建將具有納米粗糙表面的條帶狀鋁箔傾斜靠在50ml-200ml的開(kāi)口空容器中，并使納米粗糙表面朝上，室溫條件下，用滴液漏斗向容器中勻速滴加氟硅烷的乙醇溶液，使得容器中溶液液面不斷上升；所述鋁箔傾斜角度約35° -50°，滴定速度為
2.5ml/min-7. 5ml/min,以保持容器內(nèi)的液面上升速度為O. 16cm/min_0. 48cm/min,滴定時(shí)間為15min-25min，氟硅烷乙醇溶液中氟硅烷的體積分?jǐn)?shù)為O. 14%-0. 24%，滴定結(jié)束后，立即將鋁箔取出，用無(wú)水乙醇沖洗后放置在60°C的烘箱中，烘干15min，即可在傾斜的條帶狀鋁箔納米粗糙表面獲得梯度潤(rùn) 濕性。本發(fā)明中的鋁箔表面具有納米粗糙結(jié)構(gòu)，梯度潤(rùn)濕性表面覆蓋的長(zhǎng)度可在5cm-15cm之間調(diào)節(jié)，水滴靜態(tài)接觸角可從155°均勻遞減到5°以下，遞減幅度為10° /cm_30° /cm。采用本發(fā)明方法制備出的梯度潤(rùn)濕性鋁箔表面具有如下特點(diǎn)(I)以鋁箔為陰極，磷酸和丙三醇的混合水溶液為電解液，利用陽(yáng)極氧化方法制備出的鋁箔表面粗糙度很小，表面質(zhì)量較好，從原子力顯微鏡的三維形貌分析數(shù)據(jù)可以知道，這種表面的粗糙度為72nm，掃描電子顯微鏡的圖片也顯示，處理后的鋁箔表面呈溝壑狀納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸均在納米尺度(<100nm)。這對(duì)構(gòu)建覆蓋長(zhǎng)度較長(zhǎng)的梯度潤(rùn)濕性表面非常必要。(2)在采用氟硅烷乙醇溶液滴定修飾時(shí)，實(shí)際上就是在納米結(jié)構(gòu)尺度小于IOOnm的溝壑狀納米結(jié)構(gòu)的鋁箔表面完成滴定修飾，從而使得鋁箔納米粗糙表面與液面交界位置基本不產(chǎn)生毛細(xì)效應(yīng)。毛細(xì)效應(yīng)將會(huì)使得傾斜放置的粗糙表面的液面以上部分位置也被液體覆蓋，并被化學(xué)修飾，從而無(wú)法保證粗糙表面的氟硅烷的漸進(jìn)修飾，梯度潤(rùn)濕性則無(wú)法實(shí)現(xiàn)，也很難獲得覆蓋長(zhǎng)度較大的梯度潤(rùn)濕表面，因此，梯度潤(rùn)濕表面的長(zhǎng)度一般都小于4cm，而本發(fā)明則可以制得長(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)15cm的梯度潤(rùn)濕表面。(3)采用本發(fā)明提出的技術(shù)制備的鋁箔梯度潤(rùn)濕表面，梯度潤(rùn)濕性表面覆蓋的長(zhǎng)度可在5cm-15cm之間調(diào)節(jié)，水滴靜態(tài)接觸角可從155°均勻遞減到5°以下，遞減幅度為10。/cm_30° /cm。(4)若要制備覆蓋長(zhǎng)度更長(zhǎng)的梯度潤(rùn)濕性，可根據(jù)本發(fā)明提出的制備原理，調(diào)整鋁箔長(zhǎng)度和相關(guān)工藝參數(shù)即可。


圖I為實(shí)例I中陽(yáng)極氧化處理后的條帶狀鋁箔表面的原子力顯微鏡(AFM)三維圖片。圖2為實(shí)例I中陽(yáng)極氧化處理后的條帶狀鋁箔表面的掃描電鏡(SEM)圖片。圖3為實(shí)例I中制備的具有梯度潤(rùn)濕性表面的條帶狀鋁箔，覆蓋長(zhǎng)度15cm。圖4為圖3對(duì)應(yīng)位置的3 μ I水滴靜態(tài)接觸角測(cè)試照片。圖5為公開(kāi)報(bào)道的電沉積金后金片粗糙表面SEM圖片。圖6為圖5所示的具有粗糙結(jié)構(gòu)的金片梯度表面水滴接觸角測(cè)試圖片。
具體實(shí)施例方式實(shí)例I
(I)選用O. Imm的8081-H22鋁箔，將其剪成所需尺寸(IcmX 20cm)，用丙酮和去離子水在超聲環(huán)境中各清洗5min，吹干后浸入摩爾濃度為lmol/L的NaOH水溶液中處理60s，以去除表面的氧化膜，取出后用去離子洗凈、吹干待用；(2)以磷酸和丙三醇組成的混合水溶液為電解液，陽(yáng)極和陰極均為相同大小的條帶狀鋁箔，兩極平行正對(duì)放置，間距40mm，在室溫及恒電流密度模式下，陽(yáng)極氧化180min，所述電流密度為3.2mA/cm2。氧化結(jié)束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，即可在正對(duì)陰極的陽(yáng)極條帶狀鋁箔表面獲得納米粗糙結(jié)構(gòu)。所述的磷酸和丙三醇組成的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇組成的混合水溶液，其中磷酸的質(zhì)量濃度為50g/L，丙三醇的質(zhì)量濃度為25g/L ；(3)梯度潤(rùn)濕性構(gòu)建將具有納米粗糙表面的條帶狀鋁箔傾斜靠在200ml的開(kāi)口空容器中，并使納米粗糙表面朝上，室溫條件下，用滴液漏斗向容器中勻速滴加氟硅烷的乙醇溶液，使得容器中溶液液面不斷上升；所述鋁箔傾斜角度約50°，滴定速度為7. 5ml/min,容器內(nèi)液面上升速度為O. 48cm/min,滴定時(shí)間為25min,氟娃燒乙醇溶液中氟娃燒的體積分?jǐn)?shù)為O. 24%。滴定結(jié)束后，立即將鋁箔取出，用無(wú)水乙醇沖洗后放置在60°C的烘箱·中，烘干15min。通過(guò)上述方法制備出的鋁箔表面AFM三維形貌如圖I所示，相應(yīng)軟件分析獲得的均方根粗糙度為72. Onm。圖2所示的SEM照片則顯示處理后的鋁箔表面呈納米級(jí)溝壑狀，結(jié)構(gòu)尺寸小于lOOnm。氟硅烷乙醇溶液滴定修飾后的鋁箔表面潤(rùn)濕性如圖3和圖4所示，浸泡時(shí)間最長(zhǎng)的鋁箔最底端位置呈超疏水性，接觸角高達(dá)151°，隨后，接觸角隨位置變化逐漸線性減小，直至5°以下，呈現(xiàn)超親水性，梯度覆蓋長(zhǎng)度約15cm，遞減幅度為10° /cm。采用本發(fā)明以外的其他方法也可能獲得具有粗糙結(jié)構(gòu)的梯度潤(rùn)濕表面，但其表面形貌(如圖SEM圖片5所示)等不同于本發(fā)明。由該圖片標(biāo)尺可以看出，這種金片表面粗糙結(jié)構(gòu)尺寸大于10 μ m。雖然制備了超疏水到超親水的梯度潤(rùn)濕表面，但其梯度潤(rùn)濕性表面覆蓋長(zhǎng)度僅為2. 5cm左右，如圖6所示。故該方法及類似方法，無(wú)法獲得利用本發(fā)明技術(shù)方案在鋁箔表面制備納米粗糙結(jié)構(gòu)，因此也無(wú)法獲得覆蓋長(zhǎng)度可達(dá)15cm的超疏水-超親水梯度潤(rùn)濕性鋁箔表面。實(shí)例2(I)選用O. Imm的8081-H22鋁箔，將其剪成所需尺寸(IcmX 15cm)，用丙酮和去離子水在超聲環(huán)境中各清洗5min，吹干后浸入摩爾濃度為lmol/L的NaOH水溶液中處理45s，以去除表面的氧化膜，取出后用去離子洗凈、吹干待用；(2)以磷酸和丙三醇組成的混合水溶液為電解液，陽(yáng)極和陰極均為相同大小的條帶狀鋁箔，兩極平行正對(duì)放置，間距40mm，在室溫及恒電流密度模式下，陽(yáng)極氧化180min，所述電流密度為3.2mA/cm2。氧化結(jié)束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，即可在正對(duì)陰極的陽(yáng)極條帶狀鋁箔表面獲得納米粗糙結(jié)構(gòu)。所述的磷酸和丙三醇組成的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇組成的混合水溶液，其中磷酸的質(zhì)量濃度為50g/L，丙三醇的質(zhì)量濃度為25g/L ；(3)梯度潤(rùn)濕性構(gòu)建將具有納米粗糙表面的條帶狀鋁箔傾斜靠在IOOml的開(kāi)口空容器中，并使納米粗糙表面朝上，室溫條件下，用滴液漏斗向容器中勻速滴加氟硅烷的乙醇溶液，使得容器中溶液液面不斷上升；所述鋁箔傾斜角度約40°，滴定速度為5ml/min，容器內(nèi)液面上升速度為O. 4cm/min，滴定時(shí)間為15min，氟硅烷乙醇溶液中氟硅烷的體積分?jǐn)?shù)為O. 16%。滴定結(jié)束后，立即將鋁箔取出，用無(wú)水乙醇沖洗后放置在60°C的烘箱中，烘干15min。通過(guò)上述方法制備出的梯度潤(rùn)濕性鋁箔表面，浸泡時(shí)間最長(zhǎng)的鋁箔最底端位置呈超疏水性，接觸角高達(dá)155°，隨后，接觸角隨位置變化逐漸線性減小，直至5°以下，呈現(xiàn)超親水性，梯度覆蓋長(zhǎng)度約10cm，遞減幅度為15° /cm。實(shí)例3(I)選用O. Imm的8081-H22鋁箔，將其剪成所需尺寸(IcmX 10cm)，用丙酮和去離子水在超聲環(huán)境中各清洗5min，吹干后浸入摩爾濃度lmol/L的NaOH水溶液中處理30s，以去除表面的氧化膜，取出后用去離子洗凈、吹干待用；(2)以磷酸和丙三醇組成的混合水溶液為電解液，陽(yáng)極和陰極均為相同大小的條帶狀鋁箔，兩極平行正對(duì)放置，間距40mm，在室溫及恒電流密度模式下，陽(yáng)極氧化180min，所述電流密度為3.2mA/cm2。氧化結(jié)束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，即可在正對(duì)陰極的陽(yáng)極條帶狀鋁箔表面獲得納米粗糙結(jié)構(gòu)。所述的磷酸和丙三醇組成的混合水溶 液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇組成的混合水溶液，其中磷酸的質(zhì)量濃度為50g/L，丙三醇的質(zhì)量濃度為25g/L ；(3)梯度潤(rùn)濕性構(gòu)建將具有納米粗糙表面的條帶狀鋁箔傾斜靠在50ml的開(kāi)口空容器中，并使納米粗糙表面朝上，室溫條件下，用滴液漏斗向容器中勻速滴加氟硅烷的乙醇溶液，使得容器中溶液液面不斷上升；所述條帶狀鋁箔傾斜角度約35°，滴定速度為
2.5ml/min,容器內(nèi)液面上升速度為O. 16cm/min,滴定時(shí)間為20min,氟娃燒乙醇溶液中氟硅烷的體積分?jǐn)?shù)為O. 14%。滴定結(jié)束后，立即將鋁箔取出，用無(wú)水乙醇沖洗后放置在60°C的烘箱中，烘干15min，即可在傾斜的條帶狀鋁箔納米粗糙表面獲得梯度潤(rùn)濕性。通過(guò)上述方法制備出的梯度潤(rùn)濕性鋁箔表面，浸泡時(shí)間最長(zhǎng)的鋁箔最底端位置呈超疏水性，接觸角高達(dá)153°，隨后，接觸角隨位置變化逐漸線性減小，直至5°以下，呈現(xiàn)超親水性，梯度覆蓋長(zhǎng)度約5cm，遞減幅度為30° /cm。
權(quán)利要求
1.一種具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的鋁箔梯度潤(rùn)濕性表面的制備方法，其特征在于所述方法包括下列步驟 (1)預(yù)處理將5cm-20cm長(zhǎng)的條帶狀鋁箔經(jīng)丙酮、去離子水超聲清洗各5min，吹干后浸入摩爾濃度為lmol/L的NaOH水溶液中處理30_60s，然后用去離子水清洗，吹干后備用； (2)鋁箔納米粗糙表面制備以磷酸和丙三醇組成的混合水溶液為電解液，陽(yáng)極和陰極均為相同尺寸大小的預(yù)處理后的條帶狀鋁箔，兩極平行正對(duì)放置，間距40mm，在室溫及恒電流密度模式下，陽(yáng)極氧化180min，所述電流密度為3. 2mA/cm2，氧化結(jié)束后，取出鋁箔，用乙醇、去離子水清洗并吹干，即可在正對(duì)陰極的陽(yáng)極條帶狀鋁箔表面獲得納米粗糙結(jié)構(gòu)，所述的磷酸和丙三醇組成的混合水溶液采用以下方法配制將磷酸分析純和丙三醇先后加入去離子水中，得到磷酸和丙三醇組成的混合水溶液，其中磷酸的質(zhì)量濃度為50g/L，丙三醇的質(zhì)量濃度為25g/L ； (3)梯度潤(rùn)濕性構(gòu)建將具有納米粗糙表面的條帶狀鋁箔傾斜靠在50ml-200ml的開(kāi)口空容器中，并使納米粗糙表面朝上，室溫條件下，用滴液漏斗向容器中勻速滴加氟硅烷的乙醇溶液，使得容器中溶液液面不斷上升；所述鋁箔與水平面的斜角度為35° -50°，滴定速度為2. 5ml/min-7. 5ml/min,以保持容器內(nèi)的液面上升速度為O. 16cm/min_0. 48cm/min,滴定時(shí)間為15min-25min，氟硅烷乙醇溶液中氟硅烷的體積分?jǐn)?shù)為O. 14%-0. 24%，滴定結(jié)束后，取出條帶狀鋁箔，用無(wú)水乙醇沖洗后放置在60°C的烘箱中，烘干15min，即可在傾斜的條帶狀鋁箔納米粗糙表面獲得梯度潤(rùn)濕性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有梯度潤(rùn)濕性的鋁箔，其特征在于條帶狀鋁箔表面具有納米粗糙結(jié)構(gòu)，梯度潤(rùn)濕性表面覆蓋的長(zhǎng)度在5cm-15cm之間調(diào)節(jié),水滴靜態(tài)接觸角可從155°均勻遞減到5°以下，遞減幅度為10° /cm-30° /cm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的鋁箔梯度潤(rùn)濕性表面的制備方法。首先將5-20cm長(zhǎng)的條帶狀鋁箔超聲清洗吹干后浸入NaOH水溶液中處理。然后，以磷酸和丙三醇的混合水溶液為電解液，在室溫及恒電流密度模式下陽(yáng)極氧化，獲得鋁箔納米粗糙表面。隨后將鋁箔傾斜靠在開(kāi)口空容器中，納米粗糙表面向上，室溫條件下，勻速滴加體積分?jǐn)?shù)0.14-0.24%的氟硅烷乙醇溶液，滴定速度2.5-7.5ml/min，時(shí)間15-25min。取出后放置在60℃烘箱中15min，即可在鋁箔納米粗糙表面獲得梯度潤(rùn)濕性，梯度覆蓋長(zhǎng)度為5-15cm，接觸角可從155°均勻遞減到5°以下，遞減幅度為10-30°/cm。
文檔編號(hào)C25D11/24GK102877106SQ20121042574
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者張友法, 余新泉, 朱瑞雯, 陳鋒, 臧東勉 申請(qǐng)人:東南大學(xué)