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(shí)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(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及其疏水性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明鋅片經(jīng)簡單浸泡處理后，其表面形成的粗糙結(jié)構(gòu)和月桂酸的共同作用使其表現(xiàn)出很好的超疏水性能。

關(guān)鍵詞：超疏水性 鋅片 表面結(jié)構(gòu) 成分分析

中圖分類號：O647 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)工作者們的廣泛關(guān)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(xì)粗糙結(jié)構(gòu)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(yīng)用價(jià)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(yīng)用價(jià)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(gòu)筑微細(xì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)方法，如化學(xué)氧化、電化學(xué)沉積和腐蝕、化學(xué)刻蝕等等。然后，在這些粗糙結(jié)構(gòu)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(yùn)用這些方法制備超疏水金屬表面大都需要一些專門的設(shè)備和較為復(fù)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(gòu)筑出具有超疏水性的粗糙結(jié)構(gòu)。單純的采用鹽酸刻蝕雖然能縮短制備粗糙結(jié)構(gòu)的時(shí)間，但鹽酸與鋅基反應(yīng)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(jié)構(gòu)不均勻。而僅用在月桂酸的乙醇溶液中反應(yīng)，活性過低且與鋅基底反應(yīng)過慢，形成微納米級粗糙結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間過長。結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)的超疏水鋅片。

1 超疏水鋅表面的結(jié)構(gòu)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(yù)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(jié)構(gòu)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(xì)粗糙結(jié)構(gòu)主要是由直徑約為0.5 μm，長度在5 μm到10 μm的棒狀結(jié)構(gòu)和極少量寬約1.5 μm，長約為3～5 μm的片狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)過程以沉淀結(jié)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(shù)進(jìn)一步對超疏水表面進(jìn)行了表面成分等的詳細(xì)表征分析。圖2中虛線譜圖、粗實(shí)線譜圖和細(xì)實(shí)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(xì)實(shí)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(yīng)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(yīng)的粗實(shí)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)相互驗(yàn)證。（如圖2）

2 結(jié)論

以鋅片為基底，在十二酸-鹽酸乙醇溶液中浸泡一段時(shí)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(jié)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(jié)構(gòu)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(gòu)筑超疏水表面提供了新的思路，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉雙平，俞熹.荷葉效應(yīng)的研究[J].大學(xué)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(xué)：化學(xué)，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.