直接生長法制備疏水不銹鋼網(wǎng)

馬曉夢，陳 雪，余 俊，曾孟陽，陳 錢，伍鴻哲，袁 軍

(武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

1 引言

耐蝕性超疏水表面由于其耐鹽性和疏水性在海洋運輸、熱交換器、管道、電廠、平臺結(jié)構(gòu)等工業(yè)上都有著很大的應(yīng)用前景[1-4]。這類材料表面由于其疏水性、抗粘附和自清潔等特性而備受關(guān)注[5-7]。受荷葉研究[8]的啟發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)可以通過自然構(gòu)筑仿生微納米結(jié)構(gòu)粗糙表面，并在其表面涂覆低表面能材料來得到疏水表面[9]。表面粗糙度和疏水性之間的主要聯(lián)系是由Cassie、 Baxter[10]、Wenze[11]提出的。在構(gòu)建微納米結(jié)構(gòu)疏水表面上，諸多文獻中已經(jīng)提出了許多種設(shè)計方法，如模板法[12]、刻蝕[13]、逐層沉積[14]、膠體組件[15]、電沉積[16]、溶膠-凝膠方法[17]等。氧化鈰是一種價廉易得的稀土材料，與傳統(tǒng)的基于鉻的抗腐蝕涂層相比較，氧化鈰因為其電子結(jié)構(gòu)而帶有固有的疏水性[18]，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于拋光材料、汽車尾氣催化劑、氣體傳感器、電解質(zhì)材料等領(lǐng)域[19-12]。通過查閱文獻可以了解到，在室溫下用一個簡單的浸漬工藝在鎂合金上涂覆有氧化鈰膜來使鎂合金表面達到超疏水的效果，全過程可以在幾十分鐘內(nèi)完成[22]。然而，它們并沒有解釋氧化鈰膜在鎂合金上的生長機理，且在不同的沉積參數(shù)下微觀結(jié)構(gòu)和潤濕性能的變化方面，以及在不同的底物上直接生長氧化鈰等均少有研究。在此，我們采用了一種簡便的無模板水熱法，確定了最佳反應(yīng)參數(shù)，可用于直接生長在不同的基體上，包括鋁合金、不銹鋼、鈦和硅。這種低溫度的水熱方法可以很容易地擴展到大規(guī)模生產(chǎn)。本次試驗采用了不銹鋼網(wǎng)基材，為確保氧化鈰晶體生長在基材上復(fù)合膜層的耐久性，在水熱法前增加了溶膠凝膠法預(yù)處理。最終可以得到靜態(tài)接觸角達到149°的疏水性不銹鋼網(wǎng)膜。

2 實驗材料和方法

2.1 試劑及儀器

硝酸鈰，化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸，分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；尿素，分析純，西隴科學(xué)股份有限公司；不銹鋼網(wǎng)，100目，無錫市三磊篩網(wǎng)制品有限公司。

接觸角測量儀，Data physics OCA20，上海富格貿(mào)易有限公司；數(shù)控超聲波清洗器，KQ-100E，昆山市超聲儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海-恒科學(xué)儀器有限公司；SZCL-2A數(shù)顯智能控溫攪拌器；JSM-5510LV掃描電子顯微鏡；SRJX-3-9型馬弗爐。

2.2 實驗方法

在本實驗中，先對基材的表面進行預(yù)處理來排除其他物質(zhì)對實驗的影響，保證實驗的準確性。將基材a，b兩片剪裁成長寬約5cm規(guī)格，均置于丙酮、乙醇溶液中超聲清洗15min，烘干備用。采用溶膠凝膠法在基材a上預(yù)先涂覆一層氧化鈰凝膠做膠粘劑：將0.2mol/L檸檬酸的醇溶液緩慢加入到0.1mol/L硝酸鈰醇溶液中，加熱至65℃攪拌21h，后老化一段時間，置于80℃烘箱中烘干2h得到硝酸鈰溶膠。將溶膠均勻涂覆在基材上，60℃烘干30min，再重復(fù)上訴步驟4次得到涂覆好的基材a。最后使用水熱法在基材a和基材b上生長氧化鈰晶體。將0.87g六水合硝酸鈰加入40mL去離子水中攪拌溶解，緩慢加入0.05g十六烷基三甲基溴化銨，微加熱攪拌30min，再加入1.2g尿素于室溫下攪拌至完全溶解。將最后得到的溶液倒入在反應(yīng)釜中，并使基材平置于釜底，在95℃下電熱鼓風(fēng)干燥機下水熱晶化24h。水熱晶化完成后取出基材用去離子水徹底清洗表面多余粉末，室溫干燥后在450℃下焙燒3h。最后得到疏水性不銹鋼網(wǎng)，見圖1。

圖1 水熱法直接生長氧化鈰示意圖

2.3 油水分離性能測試

取一定質(zhì)量M g的油，用油紅o染成紅色(便于區(qū)分觀察)。將染好色的油與m g的水混合成油水混合物備用。將做好的不銹鋼網(wǎng)固定在如圖裝置的漏斗與錐形瓶中間。將配好的油水混合物倒入漏斗中，由于不銹鋼網(wǎng)的疏水親油性，紅色的油將會透過不銹鋼網(wǎng)流入下方錐形瓶中，而水將會截留在上方漏斗中。記下分離出的水的質(zhì)量m0g。我們定義油水分離效率方程為：

圖2 不銹鋼網(wǎng)膜油水分離試驗

3 結(jié)果與討論

3.1 氧化鈰微觀形貌

圖3 使用溶膠凝膠法預(yù)處理基材a

圖4 未使用溶膠凝膠法預(yù)處理基材b

圖5 未處理原始不銹鋼基材

由掃描電鏡圖3、圖4、圖5可以看出，氧化鈰晶體均勻的生長在基材a和基材b表面。而基材b表面的氧化鈰晶體成柱狀生長，且分布不均，并沒有將不銹鋼網(wǎng)表面完全覆蓋。經(jīng)過溶膠凝膠法預(yù)處理過的基材a表面則均勻且致密的生長了一層氧化鈰晶體，將不銹鋼網(wǎng)表面完全包覆住。

3.2 不銹鋼網(wǎng)的疏水性

圖6 基材b靜態(tài)接觸角

圖7 基材a靜態(tài)接觸角

由接觸角測試圖6、7可以看出，未處理過的不銹鋼網(wǎng)膜的靜態(tài)接觸角為110°[23]，而未經(jīng)過溶膠凝膠預(yù)處理的基材b的靜態(tài)接觸角為130°，而經(jīng)過溶膠凝膠預(yù)處理的基材a的靜態(tài)接觸角為149°。可以說明在不銹鋼網(wǎng)膜表面直接生長氧化鈰晶體可以提高不銹鋼網(wǎng)的疏水性，而考慮到后期使用的耐久性，我們在水熱法之前使用的溶膠凝膠預(yù)處理使不銹鋼網(wǎng)膜的疏水性大大提高，且有利于氧化鈰晶體在基材上的穩(wěn)固性，增強了網(wǎng)膜后期使用的耐久性。

4 結(jié)論

本論文采用了一種簡便、無模板的水熱法，在不銹鋼網(wǎng)上均勻的直接生長氧化鈰，生長的氧化鈰主要由結(jié)晶的CeO2組成。在沒有疏水修飾劑的情況下，長有氧化鈰晶體的不銹鋼網(wǎng)膜顯示出了疏水性(接觸角約為149°)。且經(jīng)過溶膠凝膠法預(yù)處理過的不銹鋼網(wǎng)的疏水性比未經(jīng)處理的不銹鋼網(wǎng)的疏水性要強。此外，油水分離實驗可以看出，不銹鋼網(wǎng)膜在油水分離應(yīng)用上有很大前景。這種簡單的直接生長氧化鈰的方法，可以廣泛應(yīng)用于各類工程應(yīng)用中，且對于水路運輸不銹鋼材質(zhì)的物料防腐也有著很大的作用。