阅读说明：本技术 一种获得阶梯层状结构的超疏水表面的方法 (Method for obtaining super-hydrophobic surface of stepped layered structure ) 是由 熊党生 佟威 周黄捷 时志兵 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种获得阶梯层状结构的超疏水表面的方法,通过激光加工的孔阵列排列方式和纳米粒子的共沉积过程,获得超疏水表面；其中,调整孔阵列的深度提高超疏水表面的机械稳定性,调整孔阵列的间距和孔径大小提高超疏水表面的浸润性；调整纳米粒子的粒径和聚二甲基硅氧烷的添加量提高制得超疏水表面的浸润性。本发明的方法在制备过程中无任何氟化处理及氟化成分,该方法的生产成本较低,造成环境污染的可能性较小。制得的超疏水表面不仅具有大于150°的接触角,更为重要的是其滚动角为2°以下,而且该方法的可操作性较强,可广泛适用于多种平面基体。因此,所制得的超疏水表面在建筑、机械制造、航空航天以及航海等领域将具有广阔的应用前景。(The invention discloses a method for obtaining a super-hydrophobic surface with a stepped layered structure, which obtains the super-hydrophobic surface through a hole array arrangement mode of laser processing and a co-deposition process of nano particles; the depth of the hole array is adjusted to improve the mechanical stability of the super-hydrophobic surface, and the size of the space and the aperture of the hole array is adjusted to improve the wettability of the super-hydrophobic surface; the size of the nano particles and the addition amount of polydimethylsiloxane are adjusted to improve the wettability of the prepared super-hydrophobic surface. The method of the invention has no fluorination treatment and fluorination component in the preparation process, and the method has lower production cost and less possibility of causing environmental pollution. The prepared super-hydrophobic surface not only has a contact angle larger than 150 degrees, but also has a rolling angle below 2 degrees, and the method has strong operability and can be widely applied to various planar substrates. Therefore, the prepared super-hydrophobic surface has wide application prospect in the fields of building, mechanical manufacturing, aerospace, navigation and the like.)

一种获得阶梯层状结构的超疏水表面的方法

技术领域

本发明涉及一种获得阶梯层状结构的超疏水表面的方法，属于材料领域。

背景技术

受自然界荷叶的“出淤泥而不染”启发，超疏水现象引起了研究者广泛的关注。当静态接触角大于150°且滚动角小于10°的表面被定义其具有超疏水特性。其表面浸润性理论依据由Young’s方程发展到Wenzel模型最终变为Cassie-Baxter模型，目前所报道的超疏水模型都基于Cassie-Baxter模型的改进。构建人工超疏水表面的方法很多，包括刻蚀修饰法，激光加工法，物理化学气相沉积法，电化学沉积法，高分子层状自组装法，和喷涂/浸涂/旋涂等物理方法。但目前所有的方法均采用微纳结构的构建及其低表面能物质的修饰。由此引发的超疏水表面机械稳定性是研究者公认的瓶颈性问题，而且，目前研制的超疏水表面的滚动角应进一步减小，较小滚动角的超疏水表面有利于实现抗结冰粘附，耐腐蚀，自清洁，抑菌，减阻等工程应用。

目前采用刻蚀修饰法制得的超疏水表面机械稳定性极低，制得的超疏水表面可以实现水滚动角在2°以下，但该表面置于1000#砂纸上，在200g载荷的压力下摩擦滑动时，表面即刻失去超疏水特性，接触角及滚动角明显降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获得阶梯层状结构的超疏水表面的方法，通过激光加工孔阵列后，经化学刻蚀处理，然后于阵列试样表面进行纳米粒子的共沉积过程。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种获得阶梯层状结构的超疏水表面的方法，通过激光加工的孔阵列排列方式和纳米粒子的共沉积过程，获得超疏水表面；其中，调整孔阵列的深度提高超疏水表面的机械稳定性，调整孔阵列的间距和孔径大小提高超疏水表面的浸润性；调整纳米粒子的粒径和聚二甲基硅氧烷的添加量提高制得超疏水表面的浸润性。

包括以下步骤：

将清洗干燥后的平面试样在激光刻蚀下获得规则排列的阵列；将激光刻蚀加工后的试样进行超声波清洗数次，然后置于无机酸/双氧水配置的水混合溶液中进行化学刻蚀处理3～10min，将刻蚀处理后的阵列试样在乙醇和去离子水中清洗数次，吹干后进行超疏水纳米粒子共沉积；随后在60℃固化1～2h，80℃固化2～5h后得到阶梯层状结构的超疏水表面。

进一步的，激光刻蚀处理后的孔阵列参数为孔间距0.01mm、孔直径0.5mm和孔深度0.1mm。

进一步的，无机酸/双氧水配置的水混合溶液包括盐酸、硫酸和硝酸常见无机酸；酸、双氧水和水的体积比为：1.5～3：0.5～2.5：10。

进一步的，化学刻蚀处理时间为3～10min，浸泡温度为10～30℃。

进一步的，超疏水纳米粒子共沉积过程为无氟化修饰改性过程，添加的纳米粒子的粒径为200～350nm，纳米粒子可以为二氧化硅，二氧化钛或氧化锌。

进一步的，无氟化修饰改性过程加入的改性修饰液体为硬脂酸正己烷溶液，浓度为1mol/L，其中添加聚二甲基硅氧烷、纳米粒子；硬脂酸正己烷、聚二甲基硅氧烷、纳米粒子的质量比0.25-0.3：1:2-5。

进一步的，无氟化修饰改性过程的搅拌时间为20～40min，搅拌转速不低于2000rpm，沉积时间为3～10min。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明为无氟化制备方法，操作简单，成本低，且节能环保；2)本发明方法可适用于多种平面的基体，在建筑、机械制造、航空航天以及航海等多领域具有应用前景；3)本发明制备的超疏水表面具有较强的憎水性，该超疏水表面的结构设计为提高超疏水表面的机械稳定性提供较大的参考价值。

附图说明

图1为实施例1超疏水表面的水接触角测试结果图。

图2为实施例1超疏水表面的水滚动角测试结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明是采用铝合金等轻质金属或树脂板等高分子硬质材料为基底，通过费米激光加工仪于试样片表面获得排列均匀的孔阵列，经超声波处理丙酮浸泡后，采用无机酸和双氧水的混合刻蚀液对试样片进行表面活化处理，最后将试样片放置于制备好的硬脂酸纳米粒子悬浊液中，进行纳米粒子共沉积，从而获得阶梯层状结构的超疏水表面。

实施例1

(1)铝合金打磨处理后采用费米激光加工仪加工孔阵列，孔阵列的主要参数为孔间距(0.01mm)、孔直径(0.5mm)和孔深度(0.1mm)，然后采用超声波对制得的阵列试样进行清洗；

(2)将步骤(1)得到的样品放入盐酸双氧水刻蚀液中3min，盐酸、双氧水和水的体积比为1：1：5，取出后分别采用去离子水和无水乙醇进行清洗，洗净后常温干燥；

(3)将步骤(2)得到的样品放入ZnO纳米粒子沉积液中5min，ZnO纳米粒子的粒径为250nm，采用0.284g硬脂酸溶入30mL正己烷中，ZnO的加入量为4g，其中聚二甲基硅氧烷的添加量为1g，修饰液的搅拌时间为30min，搅拌转速不低于2000rpm，沉积时间为5min；

(4)将步骤(3)得到的样品在60℃固化1h，80℃固化2h后，得到阶梯层状结构的超疏水表面。

制备得到的超疏水表面，水接触角为152°(如图1所示)，水滚动角为2°(如图2所示)，当水滴散落在制得的超疏水表面时，水滴很容易从表面滚动离开。

实施例2

(1)铝合金打磨处理后采用费米激光加工仪加工孔阵列，孔阵列的主要参数为孔间距(0.01mm)、孔直径(0.5mm)和孔深度(0.1mm)，然后采用超声波对制得的阵列试样进行清洗；

(2)将步骤(1)得到的样品放入硫酸双氧水刻蚀液中5min，硫酸、双氧水和水的体积比为3：3：20，取出后分别采用去离子水和无水乙醇进行清洗，洗净后常温干燥；

(3)将步骤(2)得到的样品放入ZnO纳米粒子沉积液中5min，ZnO纳米粒子的粒径为250nm，采用0.284g硬脂酸溶入30mL正己烷中，ZnO的加入量为3g，其中聚二甲基硅氧烷的添加量为1g，修饰液的搅拌时间为30min，搅拌转速不低于2000rpm，沉积时间为5min；

(4)将步骤(3)得到的样品在60℃固化2h，80℃固化4h后，得到阶梯层状结构的超疏水表面。

制备得到的超疏水表面，水接触角为152°，水滚动角为2°，当水滴散落在制得的超疏水表面时，水滴很容易从表面滚动离开，说明获得了具有良好憎水性的超疏水表面。

对比例1

(1)铝合金打磨处理后采用费米激光加工仪加工孔阵列，孔阵列的主要参数为孔间距(0.01mm)、孔直径(0.5mm)和孔深度(0.1mm)，然后采用超声波对制得的阵列试样进行清洗；

(2)将步骤(1)得到的样品放入盐酸双氧水刻蚀液中3min，盐酸、双氧水和水的体积比为1：1：5，取出后分别采用去离子水和无水乙醇进行清洗，洗净后常温干燥；

(3)将步骤(2)得到的样品放入SiO₂纳米粒子沉积液中5min，SiO₂纳米粒子的粒径为50nm，采用0.284g硬脂酸溶入30mL正己烷中，SiO₂的加入量为3g，其中聚二甲基硅氧烷的添加量为1g，修饰液的搅拌时间为20min，搅拌转速不低于2000rpm，沉积时间为5min；

(4)将步骤(3)得到的样品在60℃固化2h，80℃固化2h后，得到阶梯层状结构的疏水表面。

制备得到的疏水表面，水接触角为147°，水滚动角为5°，说明制得表面的疏水性明显减弱。

对比例2

(1)铝合金打磨处理后采用费米激光加工仪加工孔阵列，孔阵列的主要参数为孔间距(0.01mm)、孔直径(0.5mm)和孔深度(0.1mm)，然后采用超声波对制得的阵列试样进行清洗；

(2)将步骤(1)得到的样品放入硫酸双氧水刻蚀液中5min，硫酸、双氧水和水的体积比为3：3：20，取出后分别采用去离子水和无水乙醇进行清洗，洗净后常温干燥；

(3)将步骤(2)得到的样品放入SiO₂纳米粒子沉积液中5min，SiO₂纳米粒子的粒径为50nm，采用0.284g硬脂酸溶入30mL正己烷中，SiO₂的加入量为3g，其中聚二甲基硅氧烷的添加量为2g，修饰液的搅拌时间为30min，搅拌转速不低于2000rpm，沉积时间为5min；

(4)将步骤(3)得到的样品在60℃固化2h，80℃固化4h后，得到阶梯层状结构的疏水表面。

制备得到的疏水表面，水接触角为140°，水滚动角为8°，说明制得表面的疏水性明显减弱。

对比例3

(1)铝合金打磨处理后采用费米激光加工仪加工孔阵列，孔阵列的主要参数为孔间距(0.01mm)、孔直径(0.5mm)和孔深度(0.1mm)，然后采用超声波对制得的阵列试样进行清洗；

(2)将步骤(1)得到的样品放入SiO₂纳米粒子沉积液中5min，SiO₂纳米粒子的粒径为50nm，采用0.284g硬脂酸溶入30mL正己烷中，SiO₂的加入量为3g，其中聚二甲基硅氧烷的添加量为1g，修饰液的搅拌时间为30min，搅拌转速不低于2000rpm，沉积时间为5min；

(3)将步骤(2)得到的样品在60℃固化2h，80℃固化4h后，得到阶梯层状结构的疏水表面。

制备得到的疏水表面，水接触角为130°，水滚动角大于10°，说明制得表面的不具备超疏水性。

现有技术中，采用电化学沉积法可制得机械稳定性提升的超疏水表面，但该表面的超疏水性较差，其表面超疏水性主要依靠后续的低表能物质于电化学沉积膜表面修饰，超疏水特性很容易因表面磨损或液滴浸润而失效。采用物理喷涂法制得的超疏水表面的机械稳定性可进一步提升，主要是由于磨损后暴露的新的超疏水表面与磨损前的超疏水表面基本相同，从而延长超疏水的使用寿命。而本发明提出的阶梯层状结构的超疏水表面，以激光阵列构造结合纳米粒子的共沉积过程以实现构建超疏水表面，该方案为提高超疏水的机械稳定性提供较大的参考价值，制得的超疏水表面水接触角超过150°，水滚动角较小。