[发明专利]一种提高水下锁气泡能力的工程表面及其制备方法

说明书

本发明公开了一种提高水下锁气泡能力的工程表面及其制备方法，以金属或复合材料等为基体，采用常规超疏水表面微观结构构建方法在表面构建具有一定粗糙度的微观结构，并利用防水胶带将所设计的超亲水区域封住，随后利用低表面能修饰剂修饰试样，由于胶带阻挡了修饰剂里低表面自由能官能团接触表面，因此在胶带密封的区域表现出超亲水特性，而胶带未封住的区域由于微观结构和低表面自由能的协同作用而表现出超疏水性能，最后将表面的胶带去除，得到超疏水/超亲水阵列分布表面，显示出较高的水下“锁”气泡能力。本发明提供的方法工艺简单，提高了超疏水表面在水下微气泡的稳定性，对于提高超疏水材料的工业化应用具有重要实践意义。

技术领域

本发明属于金属基体表面处理技术领域，特别涉及一种可大幅度提高水下“锁”气泡能力的超疏水工程表面及其制备方法。

背景技术

超疏水表面由于特殊的微观结构以及低的表面能而展现出优异的斥水性能，其在自清洁、防腐蚀、流体减阻、防生物粘附以及水下油污处理等领域具有广泛的应用前景。超疏水表面的微观结构对润湿性具有十分重要的影响，在具有一定粗糙结构的超疏水表面，液滴并不能完全填满微观结构里的凹槽，而在液滴与凹槽之间会截留大量空气，使得固体表面与液滴的实际接触界面为固/液以及固/气复合接触界面。

近年来，超疏水表面在水下的浸润性在集油以及流体减阻等领域受到人们的广泛关注。在一定条件下，超疏水材料表面的微观结构会捕获一定量的空气，使得表面的液滴处于Cassie状态从而表现出斥水性。但是捕获空气的稳定性限制了超疏水材料在水下的运用，在水下环境中，自发捕获的微气泡在水流剪切作用下极易破坏和流失，气相结构的消失致使表面的固/液系统转化为粘滞态的Wenzel状态，从而丧失超疏水性能。如何能够紧密地“锁住”微气泡，避免液体浸入到表面的微观结构中是提高超疏水材料在水下的实际应用亟需解决的关键问题。

因此，本发明设计一种全新的超疏水/超亲水阵列分布表面，大幅度提高水下固/液/气三相界面能垒，迫使三相线不能移动，实现超疏水区域自发捕获的微气泡的紧密“锁合”作用，最终使得整个表面能够紧密密封一定数量的微气泡，达到在水下仍然保持超疏水性能的目的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可大幅度提高水下“锁”气泡能力的超疏水/超亲水阵列分布表面的设计方法，设计加工的工程表面可大幅度提高水下“锁”气泡能力，且无需额外的气泡发生装置，在水下保持高效的超疏水性能。

针对现有超疏水材料表面水下气泡易于流失，从而丧失超疏水性能的问题，本发明设计了一种全新的超疏水/超亲水阵列分布表面，大幅度提高水下固/液/气三相界面能垒，迫使三相线不能移动，实现超疏水区域自发捕获的微气泡的紧密“锁合”作用，最终使得整个表面能够紧密密封一定数量的微气泡。具体包括如下步骤：

1)基体预处理。以金属、复合材料等为基体，首先进行相应预处理，获得干净待处理的表面。

2)表面微观结构的构建。采用常规的超疏水表面微观形貌构建方法在基体表面构造出具有一定粗糙度的微观结构。

3)表面超疏水/超亲水阵列分布设计。根据所选用基体的大小和形状，选择合适的超疏水/超亲水单位面积大小，包括单位超疏水的形状，以及相邻单位超疏水区域间距，并采用常用防水胶带将所选超亲水区域封住。

4)利用低表面能修饰剂修饰步骤3)处理后的试样，随后将基体表面的胶带去除，获得超疏水/超亲水阵列分布表面，示意图如附图1所示。

本发明针对超疏水表面捕获的微气泡在水下不能长时间停留的问题，采取了超疏水/超亲水阵列分布的方法，依靠超亲水表面大的表面张力，可以稳定住超疏水表明上的三相接触线，致使气泡可以长时间停留在微观结构里面。

本发明中，所述步骤1)中基体材料可以是常用的钢材、钛合金、铝合金等金属以及复合材料。