[发明专利]金属基超疏水材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学制造技术，尤其涉及一种金属基超疏水材料的制备方法，属于超疏水材料制备技术领域。

背景技术

近年来,荷叶的自清洁效应备受关注。工程界不仅仿造荷叶表面制备了多种功能材料而且通过研究荷叶表面结构以及化学成分与浸润性的关系,揭示了荷叶表面自清洁效应的本质。

莲花效应主要是指莲叶表面具有超疏水以及自洁的特性。由于莲叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的水会因表面张力的作用形成水珠，换言之，水与叶面的接触角(contactangle)会大于150度，只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。

荷叶表面的疏水且不吸水的特性是因为叶面存在着非常复杂的多种纳米和微米级的超微结构。在表面张力作用下，水与超疏水表面会有一接触角，水珠会夹带灰尘颗粒离开叶面。在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构,这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因。

在超高解析度电子显微镜下可以清晰看到：在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”。在山包上面长满絨毛。在“山包”顶则又长出一个个馒头狀的“碉堡”凸顶。因此，在“乳突”间的凹陷部分充满著空气，这样就在紧贴叶面上形成一层纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“乳突”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“荷叶效应”。

理论上，“荷叶效应”的本质是表面润湿性问题。描述润湿性的指标为与水的接触角θ，接触角小于90°为亲水表面，接触角大于90°为疏水表面,接触角大于150°则称为超疏水表面。

对于光滑平整的理想固体表面，水滴在其表面上的形状是由固体、液体和气体三相接触线的界面张力来决定的，水滴接触角的大小可以用经典杨氏方程来表示：

cosθ＝(γ_SV-γ_SL)/γ_LV。其中，γ_SV、γ_SL、γ_LV分别是固-气、固-液和液-气界面的表面张力。

对于粗糙表面，Wenzel方程认为水滴在粗糙表面完全浸润，其液滴接触角为:cosθ_r＝rcosθ式中，r为表面粗糙度，即实际表面积与表面投影面积之比值。根据Wenzel方程,对于疏水表面，增加表面粗糙度，液滴的接触角增大。Wenzel方程揭示了粗糙表面的表观接触角与本征接触角间的关系。当固体表面由不同种类的化学物质促成时，Cassie进一步拓展了Wenzel的上述处理。他认为水滴在粗糙表面接触存在两种界面：水滴与固体界面以及由于毛细现象水滴无法进入微孔而形成空气垫从而形成的水滴与空气垫界面，并认为水滴与空气垫的接触角为180°，因此，提出粗糙表面的水滴的接触角为：cosθ_r＝f₁cosθ₁+f₂cosθ₂。式中，f₁、f₂分别为粗糙表面接触面中液固界面的面积分数与气固界面的面积分数，f₁+f₂＝1。从上述模型可知,制备具有特殊结构的表面可以提高表面的接触角。

在金属表面制备与荷叶表面类似的微纳米结构，理论上可以得到超疏水的表面，因而改变其亲水性。现有技术中超疏水金属表面的制备方法有很多：比如模板法，化学气相沉积法，溶胶凝胶法，激光或等离子体表面处理法等；但是，这些制备方法均存在制备成本高、设备投入大、技术复杂、性能不稳定的缺陷。

发明内容

本发明提供一种具备成本低廉、性能优异特点的金属基超疏水材料的制备方法，以解决现有技术中所需要的特殊设备和苛刻实验条件。

本发明实施例提供的金属基超疏水材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、选择合适形状与尺寸的铜片和钛片，并对这两种金属的表面进行预处理；

步骤二、取0.1mol/L柠檬酸乙醇溶液，向其中加入0.4mol/L的CuCl2水溶液，并搅拌均勾；

步骤三、将步骤一中预处理过的钛片和铜片，浸入步骤二中混合好的溶液中；控制钛片、铜片的距离为并用导线连接；

步骤四、将步骤三中形成的反应装置置于恒温干燥箱中，控制温度保持恒温，反应时间分别为6-24h；