一种制备铜枝晶超疏水表面的电化学方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于疏水表面材料制备技术领域，具体涉及一种制备铜枝晶超疏水表面的 电化学方法。
【背景技术】
[0002] 超疏水是固体表面的一种特殊现象，它主要取决于化学组成和微观结构，一般采 用在粗糙表面上修饰低表面能物质或在疏水材料表面构建粗糙结构来构建超疏表面。近期 研究表明，具有超疏水性能的金属表面在自清洁、抗氧化、抗腐蚀、流动减阻及其微流体无 损输送等方面有着潜在的应用价值。
[0003] 随着人们对超疏水表面的深入研究，许多制备方法不断涌现，如电沉积、化学气相 沉积、等离子刻蚀、阳极氧化、化学腐蚀、激光处理、电纺丝、溶胶凝胶等等。但大多工艺复 杂，条件苛刻。另外，铜金属，因为它的柔性、高电和热导性，已经成为日常生活和工业生产 中非常重要的一种金属。由于铜枝晶具有大的比表面积而增加支撑液滴的空气比例，铜枝 晶在超疏领域备受关注。近年来，采用电沉积方法制备出金属枝晶结构的相关文献虽逐渐 增多，但是，现有技术中研究人员将枝晶结构应用到超疏领域的成功案例却很少，大多处于 研究阶段，虽也出现了少量超疏表面具有金属枝晶结构的报道，例如，Wang等通过交换反应 技术在硅片上沉积了金属金，得到了树枝状的微/纳米双层粗糙结构，表面经十二烷硫醇修 饰后，呈现超疏水性。然而，关于工业应用广泛的、价格低廉铜枝晶结构的超疏表面的相关 报道还很少，进而采用电沉积的方法制备铜枝晶的超疏表面的相关研究就更少了。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种方法简单， 制备时间短，成本低，易于实现大尺度的工业化生产要求的在铜基体上制备超疏水表面的 电化学方法。采用该方法制备的铜枝晶结构的阴极超疏水表面，接触角可达152°以上。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种制备铜枝晶超疏水表面的 电化学方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一、将浓硫酸缓慢加至蒸馏水中，之后再将硫酸铜晶体溶解于该溶液，搅拌均 匀后得到溶液A;所述溶液A中硫酸铜的浓度为0.01 mo 1 /L~0.8mo 1 /L，硫酸的浓度为 0·05mol/L~3mol/L;
[0007] 步骤二、将十四酸溶解于无水乙醇中，搅拌均匀后得到溶液B;所述溶液B中十四酸 的浓度为〇. 〇5mol/L~0.3mol/L;
[0008] 步骤三、将两块铜基体用水砂纸打磨，以去除铜基体表面的氧化层，然后将打磨后 的两块铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，吹干待用；
[0009] 步骤四、将步骤一中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将步骤三中吹干后的两 块铜基体分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，并调节两块铜基体正对平行放 置且两块铜基体之间的距离为l〇mm~40mm，打开直流电源，在电压为2V~7V的条件下电解 Is~20min;
[0010] 步骤五、将步骤四中经电解后的阴极铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净， 然后将步骤二中所述溶液B均匀涂抹于冲洗干净后的阴极铜基体表面，晾干，然后用海绵轻 擦该表面，得到具有铜枝晶超疏水表面的阴极铜基体。
[0011] 上述的一种制备铜枝晶超疏水表面的电化学方法，步骤一中所述溶液A中硫酸铜 的浓度为0.15mol/L。
[0012] 上述的一种制备铜枝晶超疏水表面的电化学方法，步骤一中所述溶液A中硫酸的 浓度为〇.5mol/L。
[0013] 上述的一种制备铜枝晶超疏水表面的电化学方法，步骤二中所述溶液B中十四酸 的浓度为O.lmol/L。
[0014] 上述的一种制备铜枝晶超疏水表面的电化学方法，步骤四中所述两块铜基体之间 的距离为20mm。
[0015] 上述的一种制备铜枝晶超疏水表面的电化学方法，步骤四中所述电解时间为Is。
[0016] 上述的一种制备铜枝晶超疏水表面的电化学方法，步骤三中所述将两块铜基体去 除表面的氧化层是利用水砂纸打磨铜基体表面。
[0017] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0018] 1、本发明的方法简单，制备时间短，成本低，效率高，本发明采用蒸馏水作为电解 液的溶剂，比采用其他试剂(如无水乙醇)更加经济，方便，同时也没有利用价格昂贵的氟硅 烷进行修饰;另外，采用蒸馏水作为电解液的溶剂，电解过程中所需电压低，操作更安全，成 功的利用了含水电解液制备出铜枝晶结构的超疏水表面，还属首创，值得推广应用。
[0019] 2、本发明宽化了硫酸铜浓度和十四酸浓度范围，采用海绵轻擦后即可得到分布均 匀的阴极超疏水表面，重复性极大提高，易于实现大尺度的低成本的工业化生产要求。
[0020] 3、本发明的方法比基于无水乙醇电解液的电化学方法更加快速，电解Is~20min 即可。
[0021] 4、采用本发明的方法在阴极铜基体上制备的铜枝晶结构的超疏水表面，接触角可 达152°以上，并且在常规条件下放置一年后超疏水性能保持稳定。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明实施例2制备的超疏水表面的扫描电镜图；
[0023] 图2是本发明实施例2制备的超疏水表面的放大后的扫描电镜图。
【具体实施方式】 [0024] 实施例1
[0025]步骤一、将2.78ml的浓硫酸缓慢加至蒸馏水中，之后再将3.75g硫酸铜晶体溶解于 该溶液，定容至1 〇〇mL，搅拌均匀后得到硫酸铜浓度为0.15mo 1 /L，硫酸浓度为0.5mo 1/L的溶 液A;
[0026] 步骤二、将2.28g的十四酸溶解于无水乙醇中，定容至100mL，搅拌均匀后得到十四 酸浓度为〇. lmol/L的溶液B;
[0027] 步骤三、将两块大小为50mmX25mmX 1.5mm的铜基体用水砂纸打磨，以去除铜基体 表面的氧化层，然后将打磨后的两块铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，吹干待用；
[0028] 步骤四、将步骤一中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将步骤三中吹干后的两 块铜基体插入电解液中，并分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，调节两块铜 基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为20mm，打开直流电源，在电压为2V的条件下 电解20s;
[0029] 步骤五、将步骤四中经电解后的阴极铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净， 然后将步骤二中所述溶液B均匀涂抹于冲洗干净后的阴极铜基体表面，晾干，然后用普通市 售海绵轻擦该表面，得到具有超疏水表面的阴极铜基体。
[0030] 需要说明的是，在步骤五中，为了避免晾干后残存溶液B对最后形成的超疏水表面 的影响，在本发明实施例中，晾干后采用普通吸水性强的海绵擦拭利于最后形成分布均匀 的超疏水表面。
[0031] 实施例2
[0032]步骤一、将2.78ml的浓硫酸缓慢加至蒸馏水中，之后再将3.75g硫酸铜晶体溶解于 该溶液，定容至1 〇〇mL，搅拌均匀后得到硫酸铜浓度为0.15mo 1 /L，硫酸浓度为0.5mo 1/L的溶 液A;
[0033] 步骤二、将2.28g的十四酸溶解于无水乙醇中，定容至100mL，搅拌均匀后得到十四 酸浓度为〇. lmol/L的溶液B;
[0034] 步骤三、将两块大小为50mmX25mmX 1.5mm的铜基体用水砂纸打磨，以去除铜基体 表面的氧化层，然后将打磨后的两块铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，吹干待用； [0035]步骤四、将步骤一中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将步骤三中吹干后的两 块铜基体插入电解液中，并分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，调节两块铜 基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为20mm，打开直流电源，在电压为2V的条件下 电解3min;
[0036] 步骤五、将步骤四中经电解后的阴极铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净， 然后将步骤二中所述溶液B均匀涂抹于冲洗干净后的阴极铜基体表面，晾干，然后用普通市 售海绵轻擦该表面，得到具有超疏水表面的阴极铜基体。
[0037] 图1是本实施例2制备的超疏水表面的扫描电镜图，从图中可以看出，在基底表面 上生成很多孔洞结构，这些孔洞结构都是由枝晶状的微纳结构构成的，这可进一步从图2中 看出。这些孔洞结构的粗糙度高，极大地增加了储存空气的能力。该结构与低表面能的十四 酸结合，从而实现了铜基体表面的超疏水性能。
[0038] 实施例3
[0039]步骤一、将16.68ml的浓硫酸缓慢加至蒸馏水中，之后再将0.25g硫酸铜晶体溶解 于该溶液，定容至l〇〇mL，搅拌均匀后得到硫酸铜浓度为0.01m〇l/L，硫酸浓度为3mol/L的溶 液A;
[0040] 步骤二、将1.14g的十四酸溶解于无水乙醇中，定容至100mL，搅拌均匀后得到十四 酸浓度为〇. 〇5mol/L的溶液B;
[0041 ] 步骤三、将两块大小为50mm X 25mm X 1.5mm的铜基体用水砂纸打磨，以去除铜基体 表面的氧化层，然后将打磨后的两块铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净，吹干待用； [0042]步骤四、将步骤一中所述溶液A置于电解槽中作为电解液，将步骤三中吹干后的两 块铜基体插入电解液中，并分别作为阳极和阴极与直流电源的正负极相连接，调节两块铜 基体正对平行放置且两块铜基体之间的距离为10mm，打开直流电源，在电压为2V的条件下 电解5min;
[0043] 步骤五、将步骤四中经电解后的阴极铜基体依次用蒸馏水和无水乙醇冲洗干净， 然后将步骤二中所述溶液B均匀涂抹于冲洗干净后的阴极铜基体表面，晾干，然后用普通市 售海绵轻擦该表面，得到具有超疏水表面的阴极铜基体。
[0044] 实施例4
[0045] 步骤一、将0.28ml的浓硫酸缓慢加至蒸馏水中，之后再将20.0g硫酸铜晶体溶解于 该溶液，定容至l〇〇mL，搅拌均匀后得到硫酸铜浓度为0.8mol/L，硫酸浓度为0.05mol/L的溶 液A;
[0046] 步骤二、将6.84g的十四酸溶解于无水乙醇中，定容至100mL，搅拌均匀后得到十四 酸浓度为〇. 3mol/