超疏水鋅表面的制備及其性能研究

張燕 馬福民 李文 于占龍 阮敏 丁一剛

摘 要：將鋅片置于鹽酸和月桂酸的乙醇溶液中浸泡一段時間后，采用掃描電鏡、傅里葉紅外變換光譜儀、接觸角測量儀分別對其表面結構、化學組成及其疏水性能進行了分析。結果表明鋅片經(jīng)簡單浸泡處理后，其表面形成的粗糙結構和月桂酸的共同作用使其表現(xiàn)出很好的超疏水性能。

關鍵詞：超疏水性 鋅片 表面結構 成分分析

中圖分類號：O647 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0101-02

固體表面的浸潤性能一般通過其與液體的接觸角大小來衡量。一般來說，與水的接觸角小于90°的固體表面稱為親水表面，接觸角大于90°的固體表面稱為疏水表面，接觸角大于150°、具有很好的滾動性能（一般接觸角滯后小于10°）的固體表面稱為超疏水表面。在自然界中，荷葉和蟬翅膀具有自清潔作用，水黽腿具有穩(wěn)固的超疏水特性，玫瑰花花瓣具有高黏附超疏水特性，水稻葉子呈現(xiàn)各向異性超疏水性，花生葉子具有高黏性和超疏水性，這些動植物所表現(xiàn)出的特殊浸潤性和疏水性引起了科學工作者們的廣泛關注。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這些固體表面具有超疏水性是由于其表面擁有微細粗糙結構和低表面能的物質(zhì)共同作用。

由于超疏水表面或薄膜具有超疏水和自清潔的性能，使其不僅在防水防霧、自清潔、抗菌、防腐蝕等方面能發(fā)揮其應用價值，而且在防冰防雪、減小船體的摩擦阻力、無損液體傳輸?shù)确矫嬉矘O具潛在的應用價值。因此，人們對制備和研究各種超疏水材料有著濃厚的興趣。目前已經(jīng)有很多在金屬表面構筑微細結構的技術方法，如化學氧化、電化學沉積和腐蝕、化學刻蝕等等。然后，在這些粗糙結構表面上覆蓋或自組裝一層氟硅烷、氟聚合物、或長鏈烷基酸等低表面能的物質(zhì)，即可制備出超疏水固體表面。然而運用這些方法制備超疏水金屬表面大都需要一些專門的設備和較為復雜的制備條件。

本文采用簡單的一步浸泡法，在常溫常壓下，將鋅片浸入鹽酸-月桂酸的乙醇溶液中，發(fā)現(xiàn)可以在其表面構筑出具有超疏水性的粗糙結構。單純的采用鹽酸刻蝕雖然能縮短制備粗糙結構的時間，但鹽酸與鋅基反應速率常常過快而難以控制，而且易在鋅表面形成超過微米級的較大的蝕坑，造成表面粗糙結構不均勻。而僅用在月桂酸的乙醇溶液中反應，活性過低且與鋅基底反應過慢，形成微納米級粗糙結構所需的時間過長。結合二者的優(yōu)點，本文采用鹽酸與月桂酸的乙醇溶液來刻蝕修飾鋅片，簡便地獲得了穩(wěn)定均勻的具有微粗糙結構的超疏水鋅片。

1 超疏水鋅表面的結構和性能

1.1 超疏水鋅表面的制備

先將1 cm×1 cm大小的鋅片依次置入蒸餾水、無水乙醇、蒸餾水中，分別使用超聲波清洗器清洗10 min，再置于室溫空氣中晾干。然后，將上述經(jīng)過預處理的鋅片浸入50 ml鹽酸和月桂酸的濃度均為0.01 mol/L的乙醇溶液中，浸泡5天后將鋅片取出，在室溫空氣中晾干。

1.2 表面結構及其超疏水性能

采用掃描電鏡SEM（S3400）觀察超疏水表面的形貌如圖1a所示，從圖1a中可以清晰地看出我們所制備的超疏水鋅表面的微細粗糙結構主要是由直徑約為0.5 μm，長度在5 μm到10 μm的棒狀結構和極少量寬約1.5 μm，長約為3～5 μm的片狀結構組成，而基本沒有發(fā)現(xiàn)鋅僅僅在酸性溶液中形成的不規(guī)則坑洞。棒狀和片狀的結構在鋅基表面緊密堆積，無序排列共同作用決定了鋅基表面的超疏水性能，揭示了該反應過程以沉淀結晶自組裝過程為主，鋅基質(zhì)在酸性乙醇溶液中的腐蝕溶解為輔。圖1b為水滴在超疏水鋅表面的形態(tài)示意圖，從該圖可以看到水滴與超疏水鋅表面的接觸面很小，水滴呈圓球狀。采用FT1000接觸角測量儀測量表面的接觸角約為154.6°，表現(xiàn)出良好的超疏水性能。（如圖1）

1.3 超疏水表面的FT-IR紅外分析

使用FT-IR紅外技術進一步對超疏水表面進行了表面成分等的詳細表征分析。圖2中虛線譜圖、粗實線譜圖和細實線譜圖依次是純Zn片、超疏水鋅片表面和CH3（CH2）10COOH的紅外光譜圖。細實線中的3300-2500、1700、1430、1300、980 cm-1出現(xiàn)的吸收峰分別為十二酸C-H伸縮振動，C=O伸縮振動，C-H面內(nèi)彎曲振動，C-O伸縮振動以及O-H面外彎曲振動。純鋅片對應的虛線譜圖在1600 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰為ZnO，超疏水鋅表面對應的粗實線譜圖與純十二酸的紅外譜圖相比十二酸在1700 cm-1處的O-H伸縮振動吸收峰和1300 cm-1處對應的C-O伸縮振動消失而在1545 cm-1和1400 cm-1處出現(xiàn)了新的配位COO-特征峰，對應著生成的羧酸鹽COO-的對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動吸收峰。超疏水鋅片的譜圖與純鋅片的譜圖相比出現(xiàn)了3100～2800 cm-1的C-H伸縮振動以及1545 cm-1和1400 cm-1處出現(xiàn)的配位COO-特征峰。這說明溶液中的CH3（CH2）10COO-與Zn2+結合生成了十二酸鋅，這與掃描電鏡中出現(xiàn)的棒狀和片狀結構相互驗證。（如圖2）

2 結論

以鋅片為基底，在十二酸-鹽酸乙醇溶液中浸泡一段時間后，Zn片表面的Zn和ZnO在溶液中腐蝕溶解后產(chǎn)生的Zn2+與CH3（CH2）10COO-在Zn片表面沉淀結晶，生成以棒狀為主和少量片狀的Zn[CH3（CH2）10COO]2，使此表面表現(xiàn)出良好的超疏水性，水滴在其表面的接觸角為154.6°。低表面能的長鏈烷基酸和無序排列棒狀及片狀粗糙結構的協(xié)同作用是鋅基表面表現(xiàn)出良好的超疏水性原因。本制備方法簡單易操作、制備條件無特殊要求、成本低廉，為鋅片或其他材料表面上構筑超疏水表面提供了新的思路，具有潛在的應用價值。

參考文獻

[1] 劉雙平，俞熹.荷葉效應的研究[J].大學物理.2011，30（9）：50～61.

[2] Feng X.J，Jiang L.Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces[J].Adv Mater，2006，18：3063～3078.

[3] Feng L.，Zhang Y.A.，Xi J.M.，et al.Petal effect：a superhydrophobic state with high adhesive force[J].Langmuir，2008，24：4114～4119.

[4] 朱麗麗，陳銀燕，張琳，等.超雙疏自清潔變色織物[J].科技資訊，2012，60.

[5] 邱宇辰，劉克松，江雷.花生葉表面的高黏附超疏水特性研究及其仿生制備[J].中國科學：化學，2011，41（2）：403～408.

[6] Farhadi S.，F(xiàn)arzaneh M.Kulinich S.A.Anti-icing performance of superhy drophobic surface[J].App Surf Sci，2011，257（14）：6264～6269.

[7] Chen Z.，Hao L.M.，Chen A.Q.，et al.A rapid one-step process for fabrication of superhydrophobic surface by electrodeposition method[J].Electrochimica Acta，2012，59：168～171.

[8] Li W.，Amirfazli A.Hierarchical structures for natural super-hydrophobic surfaces[J].Soft Matter，2008，4（3）：462～466.

[9] Chen Y.，Guo Z.G.，Xu J.S.，et al.Inspired superhydrophobic surfaces by a double-metal-assisted chemical etching route[J].Materials Research Bulletin，2012，47：1687～1692.

[10] Ruan M.，Li W.，Wang B.S.，et al.Optimal conditions for the Preparation of superhydrophobic surface on al substrates using a simple etching approach[J].Appl Surf Sci，2012，258：7031～7035.