阅读说明：本技术 一种超疏水材料及其制备方法 (super-hydrophobic material and preparation method thereof ) 是由 吴忠振 杨超 季顺平 马正永 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种超疏水材料及其制备方法。所述超疏水材料具有荷叶状纳米结构。所述荷叶状纳米结构,类似T型结构,不需要使用有机低表面能物质改性就可直接实现超疏水性,这种仅靠结构调控实现超疏水性的材料具有较好的稳定性。所述具有荷叶状纳米结构的材料可以为氧化铝,氧化铝作为常见的工件的耐磨耐腐涂层,因此,本发明微弧氧化法制备的特殊结构纳米氧化铝还具有优异的稳定性。另外本发明提供的超疏水材料的制备方法,简单易操作,成本较低,具有潜在的应用价值。(the invention discloses a super-hydrophobic material and a preparation method thereof. The super-hydrophobic material has a lotus leaf-shaped nano structure. The lotus leaf-shaped nano structure is similar to a T-shaped structure, and can directly realize super-hydrophobicity without using organic low-surface-energy substances for modification, and the material for realizing super-hydrophobicity only by structure regulation has better stability. The material with the lotus leaf-shaped nano structure can be aluminum oxide which is used as a wear-resistant corrosion-resistant coating of a common workpiece, so that the nano aluminum oxide with the special structure prepared by the micro-arc oxidation method also has excellent stability. In addition, the preparation method of the super-hydrophobic material provided by the invention is simple and easy to operate, has lower cost and has potential application value.)

一种超疏水材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超疏水材料技术领域，尤其涉及一种超疏水材料及其制备方法。

背景技术

超疏水材料由于其表面具有特殊的浸润性，在诸多界面科学领域，包括清洁、防结冰、防雾、流动减阻、油水分离、金属防腐等场景具有广泛的应用前景。

近年来，制备超疏水材料主要有三种策略，一是在疏水的低表面能材料表面构建微纳米结构；二是在材料表面构建微纳米结构，再使用有机的低表面能物质进行改性；三是在材料表面构建出具有T型微纳米结构。其中，前两种策略使用到有机的低表面能物质，耐温等稳定性较差。而第三种策略仅需构建出特殊的T型结构，就能实现超疏水性，过程中不使用有机的低表面能物质改性，材料往往表现出较好的稳定性，在制备超疏水材料的众多方法中具有明显的优势。

目前，在材料表面构建T型结构从而获得超疏水性主要采用激光刻蚀法或化学刻蚀法来精确调控表面结构。但多数激光刻蚀方法或化学刻蚀方法存在实验条件苛刻、步骤繁杂，成本较高，无法批量制备等问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的针对现有仅依靠调控材料结构从而获得超疏水性材料的制备方法存在的问题，提供一种简单、低成本的制备出类似于T型结构的具有荷叶状纳米结构的超疏水材料及其方法。

本发明的技术方案如下：

一种超疏水材料，其中，所述超疏水材料具有荷叶状纳米结构。

进一步地，所述超疏水材料为具有荷叶状纳米结构的金属氧化物。

更进一步地，所述超疏水材料为具有荷叶状纳米结构的氧化铝。

一种超疏水材料的制备方法，其中，采用微弧氧化技术制备得到具有荷叶状纳米结构的超疏水材料。

进一步地，包括步骤：

提供金属基材；

采用微弧氧化技术在所述金属基材上形成具有荷叶状纳米结构的金属氧化物，即得到所述超疏水材料。

进一步地，包括步骤：

提供铝或铝合金，对所述铝或铝合金依次进行抛光和清洗处理；

将上述处理后的铝或铝合金放入碱性电解液中，铝或铝合金连接电源正极，电源负极连接工作电极，工作电极与电解液接触，开启电源进行微弧氧化处理；

微弧氧化处理后，进行洗涤、干燥，在铝或铝合金表面得到具有荷叶状纳米结构的氧化铝，即得到所述超疏水材料。

更进一步地，所述碱性电解液包括：3-20g/L的磷酸盐、1-5g/L的碱性氢氧化物，溶剂为水。

再进一步地，所述磷酸盐选自六偏磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、三聚磷酸钠、磷酸三钠和焦磷酸钠中的一种或多种。

再进一步地，所述碱性氢氧化物选自氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种。

更进一步地，所述微弧氧化处理的工艺条件包括：

选用的电源为脉冲电源，脉冲电源的操作参数为：恒流模式下，电流密度为1-40A/dm²、频率为100-2000Hz、占空比为10-15％、微弧氧化时间为1-10min。

有益效果：本发明提供了一种具有荷叶状纳米结构的超疏水材料，所述荷叶状纳米结构，类似T型结构，不需要使用有机低表面能物质改性就可直接实现超疏水性。另外，所述具有荷叶状纳米结构的超疏水材料，其制备方法简单，易操作，成本较低，具有潜在的应用价值。

附图说明

图1是实施例1中制备的荷叶状纳米氧化铝超疏水材料的正面SEM图。

图2是实施例1中制备的荷叶状纳米氧化铝超疏水材料的截面SEM图。

图3是实施例1中制备的荷叶状纳米氧化铝超疏水材料的XRD图。

图4是实施例1中制备的荷叶状纳米氧化铝超疏水材料对水的接触角图。

具体实施方式

本发明提供一种超疏水材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种超疏水材料，其中，所述超疏水材料具有荷叶状纳米结构。

T型结构往往可以直接赋予材料表面超疏水性，水滴在T型结构边缘的向上表面张力大于向下重力，使得水滴很难润湿表面，因此，不需要使用有机低表面能物质改性就可以直接实现材料的超疏水性。本实施例中，荷叶状纳米结构为一种类似于T型的特殊结构，对水的接触角为150±3°，因此使得具有荷叶状纳米结构的材料表现出超疏水性，不需要使用有机低表面能物质改性，且材料表现出较好的稳定性。

进一步地，所述超疏水材料为具有荷叶状纳米结构的金属氧化物。

更进一步地，所述超疏水材料为具有荷叶状纳米结构的氧化铝。本实施例中，荷叶状纳米结构，类似T型结构，不需要使用有机低表面能物质改性就可直接实现超疏水性，这种仅靠结构调控实现超疏水性的材料具有较好的稳定性；具有荷叶状纳米结构的材料为氧化铝，氧化铝作为常见的工件的耐磨耐腐涂层，因此，本实施例特殊结构纳米氧化铝还具有优异的稳定性。

本发明实施例提供一种超疏水材料的制备方法，其中，采用微弧氧化技术制备得到具有荷叶状纳米结构的超疏水材料。

本发明实施例提供一种超疏水材料的制备方法，其中，包括步骤：

提供金属基材；

采用微弧氧化技术在所述金属基材上形成具有荷叶状纳米结构的金属氧化物，即得到所述超疏水材料。

本发明实施例提供一种超疏水材料的制备方法，其中，包括步骤：

S10、提供铝或铝合金，对所述铝或铝合金依次进行抛光和清洗处理；

S20、将上述处理后的铝或铝合金放入碱性电解液中，铝或铝合金连接电源正极，电源负极连接工作电极，工作电极与电解液接触，开启电源进行微弧氧化处理；

S30、微弧氧化处理后，进行洗涤、干燥，在铝或铝合金表面得到具有荷叶状纳米结构的氧化铝，即得到所述超疏水材料。

本实施例在铝或铝合金上采用微弧氧化法在碱性电解液体系中合成出具有荷叶状纳米结构的氧化铝，该方法通过一步合成，实验条件简单、成本低；获得的纳米结构为荷叶状纳米结构，类似T型结构，不需要使用有机低表面能物质改性就可直接实现超疏水性，这种仅靠结构调控实现超疏水性的材料具有较好的稳定性；具有荷叶状纳米结构的材料为氧化铝，氧化铝作为常见的工件的耐磨耐腐涂层，因此，本实施例微弧氧化法制备的特殊结构纳米氧化铝还具有优异的稳定性。

步骤S10中，在一种实施方式中，对所述铝或铝合金依次进行抛光和清洗处理的步骤包括：使用高目数砂纸对所述铝或铝合金进行抛光，将抛光后的铝或铝合金依次选用去离子水、无水乙醇或丙酮进行超声清洗10-30min。

在一种实施方式中，所述铝或铝合金可以是纯铝、2系、5系、6系或7系的铝合金。

步骤S20中，在一种实施方式中，所述碱性电解液包括：3-20g/L的磷酸盐、1-5g/L的碱性氢氧化物，溶剂为水(如去离子水)。

在一种具体的实施方式中，所述磷酸盐选自六偏磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、三聚磷酸钠、磷酸三钠和焦磷酸钠中的一种或多种。

在一种优选的实施方式中，所述碱性电解液中，磷酸盐为5g/L的三聚磷酸钠。选用5g/L的三聚磷酸钠配制的碱性电解液，具有较好的分散作用，且能使液态、固态微粒更好的溶于电解液中，在微弧氧化过程中起到增溶作用，更利于得到稳定的氧化铝膜层。

在一种具体的实施方式中，所述碱性氢氧化物选自氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种。

在一种实施方式中，所述微弧氧化处理的工艺条件包括：

选用的电源为脉冲电源，脉冲电源的操作参数为：恒流模式下，电流密度为1-40A/dm²、频率为100-2000Hz、占空比为10-15％、微弧氧化时间为1-10min。

在一种优选的实施方式中，所述电流密度为2A/dm²，因为适中的电流密度会平衡氧化铝膜层的生长和腐蚀过程，当电流密度过大时会造成氧化铝膜层生长过快，容易烧结，不易腐蚀出荷叶状的纳米结构。而当电流密度较小时，氧化铝膜层生长缓慢且致密，不利于腐蚀。

在一种优选的实施方式中，所述频率为200Hz，频率过大会造成氧化铝膜层长得过快，反之，频率过小时不利于得到致密氧化铝膜层，不利于腐蚀。

在一种优选的实施方式中，所述微弧氧化时间为5min，能够保证获得理想的荷叶状纳米结构，不至于过度腐蚀，造成结构的破坏。

下面通过若干具体的实施例对本发明进一步地说明。

实施例1

使用2A12铝合金作为铝源，将其切割成尺寸为50mm×25mm×2mm的矩形试样，使用常用的1200目金相砂纸进行抛光，再依次使用去离子水和无水乙醇超声清洗30min，得到样品待用。配制微弧氧化用碱性电解液体系，其中包括：5g/L三聚磷酸钠、1.5g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水，将其置于不锈钢电解液容器中待用。

微弧氧化过程中使用脉冲电源，调整电源参数为：恒流模式下，电流密度为2A/dm²、频率为200Hz、空占比为12％。待调整好电源参数后，将待用铝合金作为阳极，不锈钢电解液容器作为阴极，开启电源，微弧氧化5min后，得到具有氧化层的铝合金，最后使用去离子水冲洗后自然干燥，即获得具有荷叶状纳米氧化铝的超疏水材料。

材料的正面和截面SEM结果如图1和图2所示，可以看出膜层由随机分布的不规则的荷叶片状结构组成，多数呈圆盘状，平均直径约500nm。片层之间具有200-1200nm范围的间隙。材料的截面可以看出获得的具有荷叶状纳米结构的膜层的总厚度约为1μm。膜层顶部的荷叶状结构并不像真正的荷叶那么光滑，而是表面有一些褶皱且不平整，这是由于样品和电解液在弧光放电的情况下反应很迅速且剧烈，生长的膜层表面会有一定粗糙度，呈现出不平整的状态。顶部的荷叶片层结构被杆子支撑以至于结构不会坍塌，由于电解液的腐蚀的作用，杆子的结构直径不同且形状不规则。获得的材料的XRD结果如图3所示，可以看出铝片在15.1°-35.6°位置出现了非晶氧化铝的特征峰，证实了2A12铝合金经过微弧氧化处理后表面生成了氧化铝相。如图4，测得材料对水的接触角值为150±3°，表现出超疏水性。20微升的水滴能够在材料表面上保持球形，证实了材料具有均一的超疏水性。

实施例2

使用5005铝合金作为铝源，将其切割成尺寸为50mm×25mm×2mm的矩形试样，对其使用1200目金相砂纸进行抛光，再依次使用去离子水和无水乙醇超声清洗30min，得到样品待用。配制微弧氧化用碱性电解液体系，其中包括：5g/L三聚磷酸钠、1.5g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水，将其置于不锈钢电解液容器中待用。

微弧氧化过程中使用脉冲电源，调整电源参数为：恒流模式下，电流密度为2A/dm²、频率为200Hz、空占比为12％。待调整好电源参数后，将待用铝合金作为阳极，不锈钢电解液容器作为阴极，开启电源，微弧氧化5min后，得到具有氧化层的铝合金，最后使用去离子水冲洗后自然干燥，即获得具有荷叶状纳米氧化铝的超疏水材料。

实施例3

使用6061铝合金作为铝源，将其切割成尺寸为50mm×25mm×2mm的矩形试样，对其使用1200目金相砂纸进行抛光，再依次使用去离子水和无水乙醇超声清洗30min，得到样品待用。配制微弧氧化用碱性电解液体系，其中包括：5g/L三聚磷酸钠、1.5g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水，将其置于不锈钢电解液容器中待用。

微弧氧化过程中使用脉冲电源，调整电源参数为：恒流模式下，电流密度为2.5A/dm²、频率为250Hz、空占比为12％。待调整好电源参数后，将待用铝合金作为阳极，不锈钢电解液容器作为阴极，开启电源，微弧氧化5min后，得到具有氧化层的铝合金，最后使用去离子水冲洗后自然干燥，即获得具有荷叶状纳米氧化铝的超疏水材料。

实施例4

使用7075铝合金作为铝源，将其切割成成尺寸为50mm×25mm×2mm的矩形试样，对其使用1200目金相砂纸进行抛光，再依次使用去离子水和无水乙醇超声清洗30min，得到样品待用。配制微弧氧化用碱性电解液体系，其中包括：5g/L三聚磷酸钠、1.5g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水，将其置于不锈钢电解液容器中待用。

微弧氧化过程中使用脉冲电源，调整电源参数为：恒流模式下，电流密度为2A/dm²、频率为200Hz、空占比为12％。待调整好电源参数后，将待用铝合金作为阳极，不锈钢电解液容器作为阴极，开启电源，微弧氧化5min后，得到具有氧化层的铝合金，最后使用去离子水冲洗后自然干燥，即获得具有荷叶状纳米氧化铝的超疏水材料。

实施例5

使用2A12铝合金作为铝源，将其切割成尺寸为50mm×25mm×2mm的矩形试样，对其使用1200目金相砂纸进行抛光，再依次使用去离子水和无水乙醇超声清洗30min，得到样品待用。配制微弧氧化用碱性电解液体系，其中包括：5g/L三聚磷酸钠、2.1g/L氢氧化钾，溶剂为去离子水，将其置于不锈钢电解液容器中待用。

微弧氧化过程中使用脉冲电源，调整电源参数为：恒流模式下，电流密度为2A/dm²、频率为200Hz、空占比为12％。待调整好电源参数后，将待用铝合金作为阳极，不锈钢电解液容器作为阴极，开启电源，微弧氧化5min后，得到具有氧化层的铝合金，最后使用去离子水冲洗后自然干燥，即获得具有荷叶状纳米氧化铝的超疏水材料。

综上所述，本发明提供了一种超疏水材料及其制备方法，通过对铝或铝合金采用微弧氧化技术，在碱性电解液中一步制备出荷叶状纳米结构的氧化铝，实现了超疏水氧化铝材料的合成。超疏水氧化铝材料仅依靠特殊微纳米结构来实现超疏水性，不需要使用任何有机低表面能物质修饰，制备方法简单易操作，成本较低，具有潜在的应用价值。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。