纯钛基体长效超疏水表面的低成本制备.pdf

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第43卷2015年11月第11期—第1318页材料工]ournalofMaterials程EngineeringVo1.43No.11—Nov.2015PP.1318纯钛基体长效超疏水表面的低成本制备PreparationofDurableSuperhydrophobicSurfaceonPure—TitaniumSubstrateviaLOWcostRoute王晨弱,杨文秀,张洪敏,王莼,汪涛(南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016)———WANGChenyue,YANGWenxiu,ZHANGHongmin,WANGChun,WANGTao(CollegeofMaterialScienceandTechnology,NanjingUniversity0fAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)摘要:为降低钛基上超疏水表面的制备成本,提高超疏水表面的耐久性能,以喷砂一阳极氧化法在纯钛基体上构造微纳复合粗糙结构,并使用商用氟碳罩光漆直接对其进行修饰获得超疏水性表面。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR),场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和接触角测试等技术对超疏水性表面的化学组成、表面形貌、润湿性和表面耐久性进行了研究。结果表明:喷砂处理在钛基表面构筑微米级凹坑,阳极氧化通过形成网状氧化膜在钛基表面构造纳米级结构,氟碳罩光漆修饰该微纳复合粗糙表面后,为表面引入大量含氟基团,使其获得超疏水性能。超疏水性表面与纯水的静态接触角达162。士2.3。,滚动角为2.1。4-0.2。,具有优异的环境耐久性。关键词:钛;阳极氧化;超疏水;氟碳罩光漆—doi:10.11868/j.issn.10014381.2015.11.003中图分类号:TG174文献标识码:A文章编号:1001-4381(2015)11-0013-06—Abstract:Inordertoreducethepreparationcostofthesuperhydrophobicsurfaceontitaniumsubstrateandimproveitsdurability,sandblastingandanodicoxidizationwereusedtoconstructamicro/—nanometerscaleroughsurfaceonpureTisubstrate,andthenthesuperhydrophobicsurfacewasobtainedviafurthermodificationbyfluorinecarbonvarnish.Thechemicalcomposition,morphology,wettabilityandenvironmentdurabilityofthesuperhydrophobicsurfacewereinvestigatedbyFTIR,—FESEMandcontactanglemeasurementrespectively.Theresultsshowthatthestructureatmicron——levelisfabricatedbysandblastingwhilethenanowebstructureispreparedbyanodizing.Aftermodifledbyfluorinecarbonvarnish,thismicro/nanometerscaleroughsurfacecontainedmassesoffluoridegroupsandattainssuperhydrophobicity.Thesuperhydrophobicsurfacehasastaticcontactangleof162。±2.3。withtheslidingangleof2.1O±0.2。andshowsexcellentairandseawaterdurability.Keywords:titanium;anodicoxidization;superhydrophobic;fluorinecarbonvarnish超疏水表面一般是指与水的接触角大于150。,滚动角小于10。的表面[1],它在自清洁材料,飞行器除冰、舰船减阻,微流体装置以及生物材料方面有着广泛的应用前景_2]。超疏水表面的制备由表面粗糙化处理和表面疏水化处理两步组成,即通过粗糙化处理构建合适的二元微纳米结构及通过低表面能物质修饰得到疏水效果_4]。目前,金属基体超疏水表面的常用制备方法有:阳极氧化法]、电化学沉积法_8]、化学腐蚀法、一步浸泡法[]、模板法n、水热法_】、分子自组装法n、激光刻蚀法口等。钛合金表面超疏水处理对飞行器防冰、舰艇减阻具有重要的意义。已有许多国内外学者在钛基上成功地制备了超疏水表面,如Steele等[1用超快激光照射法,Guo等[1。用热氧化法,Barthwal等L1用两次阳极氧化法,Fleming等口。用喷砂加浸渍一涂布法,均在钛表面构造了特殊的微观结构,然后通过低表面能物质的修饰,实现了对钛表面的超疏水处理。但是需要指出的是,现有的在钛基上制备超疏水表面的方法多采用氟硅烷等昂贵的低表面修饰材料,获得的超疏水表面耐久性差,且制备工艺复杂,不适于制造大型或复杂形貌的超疏水表面,不利于工业化大规模生产。本工作采用喷砂一阳极氧化法对光滑钛基体进行粗糙化处理,获得具有微纳复合网络结构的粗糙表面形貌,然后直接使用氟碳罩光漆代替氟硅烷等传统疏16材料工程2015年11月尺寸太小,当水滴与表面接触时不能产生足够的大气截留,所以形成的接触角最小,且滚动角最大。图3(c)为用喷砂一阳极氧化法疏水化处理后获得的超疏水表面SEM形貌。如图所示,喷砂一阳极氧化法处理后的试样表面形成了微纳复合的粗糙结构,喷砂后形成的微米级凹坑结构上复合了阳极氧化处理形成的纳米级纤维网络状结构,两种处理方法形成的表面形貌复合叠加,构成了三个级别的粗化结构。与单纯喷砂后的表面形貌相比,阳极氧化处理不仅在表面形成纳米级纤维状结构,还将喷砂过程形成的微米级凹坑轮廓边缘的尖锐结构消除。这种纳米级纤维结构不但增加了表面的粗糙化程度而且增加了表面的孔隙数量,有利于氟碳罩光漆与表面结合,并进一步固化形成超疏水膜层。与单纯阳极氧化后的表面形貌相比,喷砂过程在钛基表面形成许多较深凹坑,存在很多棱角,阳极氧化时这些区域的电场强度高于平滑表面,所以纤维网络结构更加明显,且由于黏附在区域内的氟碳罩光漆固化形成漆膜,导致凹坑状结构的边缘处的纤维状结构显著加粗。喷砂邛日极氧化法获得的试样表面具有微纳米结合的粗糙化网状结构,大量的纳米级微结构为氟碳罩光漆在试样表面提供了足够的附着位置,其表面存在的大量孔隙也使得表面黏附的液滴具有更多的大气截留,明显提高了表面的疏水性能,达到超疏水效果。2.3表面红外分析—图4为超疏水性表面FTIR图谱。在1161CITI—附近为CF的特征吸收峰,1243cm附近为一cF。~键的特征吸收峰,1380cm附近为一cH。的—弯曲振动区,在1748cm处为CO键的特征峰,—2876~2962cm_。为CH键的特征吸收峰,3400cm处为一OH键的伸缩振动。由图可知,疏水化处理后,氟碳罩光漆在试样表面的连接为试样表面引入了低表面能的含氟基团,降低了试样的表面能,提高了试样表面的超疏水性。5001000150020002500300035004000Wavenumber/cm一图4超疏水性表面FT-IR图谱—Fig.4FTIRspectraofthesuperhydrophobicsurface2.4表面耐久性测试将超疏水性表面分别放置于空气中和人工配制的模拟海水中12周,配制的模拟海水化学成分见表1。每周对试样表面与纯水的接触角进行测量,绘制接触角随放置时间变化的曲线,以此表征试样表面超疏水性的耐久程度,结果如图5所示。表1模拟海水化学成分(g・L)Table1Chemicalcompositionofsimulateseawater(g・L一)g--crJCc口右c口oo图5超疏水性表面纯水静态接触角与在环境中放置时间的关系(a)在大气中;(b)在模拟海水中Fig.5Relationshipbetweenthetimeandthecontactangleofthesuperhydrophobicsurface(a)exposedtotheair;(b)immersedinsimulateseawater试样表面静态接触角在环境耐久性测试中出现了不同幅度的下降,置于模拟海水中的试样在测试过程中静态接触角的减小幅度显著大于放置在大气中的试样。对于在大气中放置的试样,如图5(a)所示,表面静态接触角在测试过程中变化量约为1,并且在整个测试中变化较为缓慢,测试结束时试样表面仍具有超疏水性。对于在模拟海水中放置的试样,其静态接触角的变化量约为3,试样表面12周后仍具有超疏水性,如图5(b)所示。在测试的前5周,试样表面静态接触角减小比较缓慢;模拟海水中由于富含Cl等物质对试样的超疏水涂层有腐蚀作用,随着放置时间的延长,其腐蚀作用开始显现,试样表面静态接触角减小速率加快,试样表面疏水性的下降主要发生在该阶段;此后,试样表面静态接触角逐渐趋于稳定。试样表面疏水性在模拟海水中的下降可以解释为:由于表面具有较多的纳米级网状结构,氟碳罩光漆在这类结构的上可能出现黏附不均匀的现象,黏附较少的区域易被腐蚀,从而加快了整个表面腐蚀作用的进行,造成了表面疏水性减小。上述测试结果表明,通过该方法获第43卷第11期纯钛基体长效超疏水表面的低成本制备17得的超疏水性试样表面具有良好的环境耐久性。3结论(1)在钛基体上使用商用氟碳罩光漆直接对经喷砂一阳极氧化法处理获得的具有微纳复合结构的表面进行修饰,获得了性能稳定的超疏水表面。制备方法简单,成本低廉,且环境友好,适于大规模工业化生产。(2)喷砂邛日极氧化后的表面具有微纳复合的粗糙网络状结构,进行氟碳疏水化修饰后制得超疏水表面,固化后的氟碳材料引入大量含氟基团,使表面具有超疏水能力,其与纯水的静态接触角达到162。±2.3。,滚动角为2.1。±0.2。,水滴在超疏水表面可自由滚动。单独喷砂处理的表面具有微米级粗糙结构,氟碳漆疏水化处理后表面与纯水的静态接触角为139。±1.9。,滚动角为24。±1.8。;单独阳极氧化处理的表面具有纳米级网络状结构,氟碳漆疏水化处理后表面与纯水的静态接触角为109。-4-1.2。,滚动角为69。±2.1。,均不具有超疏水性能。(3)超疏水性表面具有优异的环境耐久性,在大气中和腐蚀性环境中放置12周后仍具有超疏水性能。[1][2][3][4]E5][6][7]参考文献——RAHMAWANY,XUL,YANGS.Selfassemblyofnanostruc—turestowardstransparent,superhydrophobicsurfaces[J].Jour—nalofMaterialsChemistryA,2013,1(9):29552969.蔡锡松,肖新颜.超疏水表面涂层研究进展[J].现代化工,—2O13,33(1):2225,27.———CAIXisong,X1A0Xinyan.Progressinsuperhydrophobicsur—facescoatings[J].ModernChemicalIndustry,2013,33(1):2225,27.江雷,冯琳.仿生智能纳米界面材料[M].北京:化学工业出版社,2007.徐文骥,宋金龙,孙晶,等.金属基体超疏水表面制备及应用的—研究进展[J].材料工程,2011,(5):9398.———XUWenji,SONGJinlong,SUNJing,eta1.Progressinfabriea—tionandapplicationofsuperhydroph0bicsurfacesonmetalsub—strates[J].JournalofMaterialsEngineerin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