制備金屬銅基底超疏水性表面試驗研究

宋明玉，李繼軍，吳耀德，陳海燕 (長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州 434023)

制備金屬銅基底超疏水性表面試驗研究

宋明玉，李繼軍，吳耀德，陳海燕 (長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州 434023)

不應用任何膜板、表面活性劑或添加劑，通過簡潔、易控、廉價和節(jié)約能源的液相制備方法，獲得了金屬銅基底表面的超疏水性結(jié)構(gòu)，并應用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和接觸角測試儀對銅表面及其生成物進行了物質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面形貌和疏水性能表征。研究結(jié)果表明，銅基底上生成的氧化銅微米-納米結(jié)構(gòu)的表面具有超疏水性。

超疏水性; 微米-納米結(jié)構(gòu)；銅基底；接觸角

固體表面與水的接觸角大于150°的超疏水表面的制備和研究，現(xiàn)已成為仿生納米材料技術及其應用方面的熱點之一。這種表面的典型實例是自然界的荷葉表面，其疏水性主要決定于荷葉表面的微米-納米的階層微觀結(jié)構(gòu)[1]。采用仿生的方法在金屬表面研究制備類荷葉表面的微細結(jié)構(gòu)，使金屬表面具有超疏水性，打破了傳統(tǒng)上只有利用疏水性材料才能制得疏水性表面的局限性，大大擴大了材料的應用范圍。對解決機械、石油、化工、輕工、農(nóng)技、醫(yī)療以及日常生活用品等行業(yè)的防腐、防老化、防粘附、微流體及無損失液體的傳輸?shù)染哂惺謴V闊的應用前景[1]。

氧化銅在許多領域有著廣泛的應用，如作為場發(fā)射材料、光催化劑、氣體傳感器、光開關材料和太陽電池材料等。在許多領域如電子器件、化學或生物傳感器、能量存儲和轉(zhuǎn)換等[2]則希望氧化銅具有一定取向的納米結(jié)構(gòu)。其常用的制備方法有刻蝕法、氣相沉積法、電化學方法、靜電紡紗法[3，4]等，但在銅基底上，低溫和無表面活性劑條件下制備氧化銅分等級結(jié)構(gòu)沒有相關報道[5]。筆者應用簡單易行的液相法，沒有應用任何膜板、表面活性劑或添加劑，在低溫堿性環(huán)境中得到了銅基底上氧化銅分等級的微米-納米結(jié)構(gòu)。

1 試驗部分

1.1儀器及材料

1)儀器 JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡；JEOL JEM-2010型透射電子顯微鏡； Y-2000型X射線衍射儀； JC2000C1接觸角測試儀。

2)材料 0.15mm厚的銅片若干；NaOH、稀鹽酸、酒精、石蠟溶液等。

1.2銅基底樣品制備

將銅片若干(約30×30×0.15mm)分別用稀鹽酸、酒精和去離子水超聲清洗風干后浸泡在30mmol/L的NaOH水溶液中，保持60℃浸泡20h。20h后，將樣品取出，用清水沖洗數(shù)遍后，在60℃烘箱中烘干，得到樣品1，即在銅片上生長了一層黑色的均勻薄膜。然后從樣品1中取出幾片，在5%的石蠟溶液中浸泡數(shù)小時后取出，在30℃的環(huán)境中干燥，得到樣品2，樣品2表面覆蓋了一層均勻的膜。

2 結(jié)果與討論

用JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡獲得樣品1表面掃描電子顯微鏡圖像，所用透射電子顯微鏡為JEOL JEM-2010型。樣品X射線衍射實驗是在Y-2000型X射線衍射儀上完成。樣品表面疏水性能的測量用JC2000C1接觸角測試儀進行。

2.1銅基表面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌表征及分析

樣品1的掃描電子顯微鏡圖如圖1所示。結(jié)果表明，生成物為顆粒狀分布在銅片表面，顆粒大小在2～3μm左右，如圖1(a)所示。從圖中可以看出，這些微米顆粒有時連接在一起，形成了啞鈴狀結(jié)構(gòu)。顆粒之間的區(qū)域為草坪狀結(jié)構(gòu)。這些顆粒和草坪狀結(jié)構(gòu)放大觀察后的結(jié)果如圖1(b) 和圖1(c)所示。從這些結(jié)果中看出，顆粒狀結(jié)構(gòu)象花一樣，由許多片狀結(jié)構(gòu)組成。每一片花葉由納米線組成。在圖1(c)中可以看出，顆粒之間的區(qū)域為草狀結(jié)構(gòu)，整個草狀結(jié)構(gòu)為二維的片狀物組成，這個結(jié)果與花狀顆粒組成物相同，片狀的大小在500nm左右。因此，在銅基底上就形成了分等級的微米-納米結(jié)構(gòu)，顆粒的大小在微米量級，組成顆粒和顆粒之間區(qū)域的結(jié)構(gòu)為納米量級的片狀物，并且可以大面積的制備。

圖1 NaOH堿溶液中銅片上氧化銅花狀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖

2.2機理分析

Cu+O2→Cu2+

(1)

(2)

圖2 表面疏水角

接著，這些生成物在熱堿溶液條件下可以形成氧化銅結(jié)構(gòu)。

2.3銅基表面的疏水性能測試

用JC2000C1接觸角測試儀測量樣品2，銅基底上生成的具有類荷葉花狀結(jié)構(gòu)的氧化銅微米-納米結(jié)構(gòu)表面的疏水角為151°，但是用同樣的化學修飾方法處理銅片(銅片在5%的石蠟溶液中浸泡)本身的表面，其疏水角只有93°，如圖2所示。由圖2可見，制備的樣品2的表面具有超疏水性(gt;150°)。

[1]江雷.從自然到仿生的超疏水納米界面材料[J].科技導報,2005,23(2):4～8.

[2]Callies M,Quéré D.On water reoellency[J]. Soft Matter, 2005,1(1):55～61.

[3]張立德，解思遠.納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[4]施利毅. 納米材料[M].上海：華東理工大學出版社, 2007.

[5]張勝義,宋吉明,朱文晶，等.不同形貌納米銅的制備及其形成機理研究[J]. 安徽大學學報，2006，30(3)：62～65.

[編輯] 洪云飛

O41；O469

A

1673-1409(2009)01-N029-02

2008-12-06

國家自然科學基金資助項目(60777020)；湖北省自然科學基金項目(2005ABA311)；長江大學科研發(fā)展基金項目(2006Z2074)。

宋明玉(1965-)，女，1986年大學畢業(yè)，碩士，高級講師，現(xiàn)主要從事物理學方面的教學與研究工作。