[01135671]铜基仿生材料的制备及浸润性

(1)任务来源 本项目为河南省教育厅自然科学基金项目（2008B430020）。 （2）应用领域和技术原理 浸润性是固体表面的重要性质之一,超疏水性固体表面由于在防雪、防污染、防腐蚀以及微流体传输等方面都有非常潜在的应用前景而引起了人们的极大关注。本研究是在铜基底上构筑类荷叶的仿生结构,然后进行表面化学改性,研究该种固体表面的表面形貌与浸润性之间的关系。 （3）性能指标 分别利用酸和碱辅助的表面氧化技术以及金属置换法,在金属铜表面构筑了类荷叶的仿生结构,并进行化学修饰后,对水的静态接触角超过了150o,从而实现了超亲水到超疏水的转换。 利用酸辅助的表面氧化技术制备了由Cu8（PO3OH）2（PO4）4·7H2O单晶组成的三维蜂巢状多孔结构,孔尺寸约为几百纳米到2微米,二维的纳米片厚度为50～100 nm。在该结构表面修饰十八烷硫醇（ODT）或PDES后,对水的接触角均大于150o。与ODT修饰表面相比,PDES修饰表面具有更低的接触角滞后。 利用碱辅助的表面氧化技术,在铜基底上分别制备了Cu（OH）2纳米管/柱准阵列、Cu（OH）2纳米柱准阵列/CuO微球阶层结构以及牡丹花状CuO,对其表面形貌、晶体结构进行了研究。 （4）与国内外同类技术比较 通过文献检索和查新可知,利用简单的化学刻蚀技术在金属基底上构筑超疏水仿生结构,目前虽有少量报道,但所报道的制备方法或制备的材料与本研究不同。 本研究以被广泛应用的金属铜为基底,分别制备了Cu8（PO3OH）2（PO4）4·7H2O单晶组成的三维蜂巢状多孔结构、Cu（OH）2纳米管/柱准阵列、Cu（OH）2纳米柱准阵列/CuO微球阶层结构以及牡丹花状CuO,在这些粗糙结构表面修饰硬脂酸后,对水的静态接触角均超过150o,并研究了具有不同表面能的修饰剂对接触角滞后及对水滴黏着的影响。 （5）成果的创造性、先进性 本成果主要创新性如下： 利用磷酸辅助的表面氧化技术在金属铜表面制备了Cu8（PO3OH）2（PO4）4·7H2O单晶组成的三维蜂巢状多孔结构,经低表面能物质表面改性后,对水滴的静态接触角超过150o,并研究了蜂巢状结构的生长机理。 利用简单的碱辅助的表面氧化技术在金属铜基底上分别制备了氢氧化铜纳米管阵列、纳米柱阵列、牡丹花瓣状结构及具有类荷叶仿生结构才粗糙表面,修饰低表面能物质后,对水的静态接触角超过150°,并对水滴具有较小的黏着。分别讨论了不同形貌对静态接触角及接触角滞后、对水滴黏着的影响。 （6）作用意义（直接经济效益和社会意义） 本项目中,分别利用酸或碱辅助的表面氧化技术在金属铜表面构筑具有类荷叶的仿生结构,经进一步的化学修饰后,实现了超亲水到超疏水的转换。 本项目所采用的制备技术在许昌两家企业使用。结果表明：在金属铜表面构建粗糙结构,然后进行表面改性制备的超疏水材料,对于设备外表的防雪、防结冰以及设备管道的流体减阻性能良好,该产品制备技术具有较好的应用前景。 （7）推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见 推广应用的范围、条件和前景： 该技术选择简单而有效的表面氧化法来进行构建粗糙结构,然后采用低表面能物质进行表面改性,从而实现浸润性的调控。该技术处理后的金属设备表面具有自清洁功能,如果继续进行更深层次研究,可望应用于仪器设备表面的自清洁、室外金属设备的防腐蚀、防雪、防结冰,设备管道的流体减阻,从而可以很好地降低能耗和劳务支出,节约成本。 存在的问题和改进意见： 由于项目历时较短,所进行的生产实验较为缺乏,对该技术产品的后续研究尚需深入进行。对于金属基底不同浸润性的表面,在其他方面的应用尚需进一步研究,如在气敏元件、细胞培养、防止细菌粘附等方面。