閆巧枝，呂恒志，劉東曉

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院，平頂山467001）

0 引 言

超疏水表面技術的理論始于20世紀40年代，盛于90年代［1］。由于超疏水膜獨特的表面特性，在國防、日常生活和眾多工業(yè)領域有著廣闊的應用前景，所以備受關注［2］。目前，該技術已成功應用于輸油管道內壁、汽車擋風玻璃、日用品包裝、輪船外殼及燃料儲備箱、衛(wèi)星天線等［3］。超疏水表面可以通過兩種方法制備［4］，一種是在粗糙表面修飾低表面能的物質，另一種是在疏水表面（一般接觸角大于90°）構建粗糙結構。目前，對超疏水表面的研究取得了一些成果，如，Crick等［5］利用化學氣相沉積技術、Kang等［6］利用電紡技術、Bae等［7］利用溶膠－凝膠法、Genzer等［8］利用機械自組裝單層膜（MAMs）法、Sarkar等［9］利用PTFE修飾經化學刻蝕法制備了超疏水表面。但仍存在一些問題有待解決，如，超疏水理論的模型與公式還只是經驗性的結果，超疏水材料與基底結合力的問題，超疏水表面在長期使用過程中會聚集雜物而使其疏水性減弱甚至消失的問題［10］，以及制備工藝復雜、成本高，超疏水表面強度較低等問題。為了尋求一種簡單有效的制備超疏水薄膜的方法，作者將純鋁片浸泡在弱堿性的金屬鹽溶液中，直接在純鋁片表面原位生長出了堿式碳酸鋅薄膜，并采用硬脂酸無水乙醇溶液對薄膜進行修飾，研究了修飾前后薄膜的潤濕性、微觀形貌和化學成分。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

用JY－501型電子分析天平（精度為0.1g）稱量12g的NaOH（純度為96%）放入盛有200mL蒸餾水的燒杯中配制NaOH溶液；然后將純度為99.5%鋁片放入無水乙醇中，用超聲波清洗儀清洗、烘干后放入上述配置好的NaOH溶液中反應25～30s，之后取出用大量蒸餾水清洗；稱量3份6g的硝酸鋅（純度為99%）分別放入3個盛有200mL蒸餾水的燒杯中，再分別加入3.6，7.2，10.8g尿素來配制尿素硝酸鋅溶液，然后在這3個燒杯均放入4片鋁片，并用聚乙烯封口膜封口；之后放入DHG－9035A型電熱恒溫鼓風干燥箱中，調整溫度至90℃，并實時觀察反應；反應9h和16h后，于每個燒杯中分別取出2片鋁片，置于60℃的干燥爐中烘干，30min后再放入0.005mol·L－1的硬脂酸無水乙醇溶液中進行表面處理，處理9h后取出，然后用大量無水乙醇噴洗，再置于80℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中，烘干后即在鋁片上制得了具有超疏水表面的堿式碳酸鋅薄膜。

1.2 試驗方法

將10μL的二次蒸餾水滴在上述所制備的超疏水碳酸鋅薄膜表面，用DSA100型接觸角測量儀（精度為0.01°）測5個不同點的接觸角，取平均值［11］；將疏水碳酸鋅薄膜表面噴金后，用JSM－5600LV型低真空掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其表面形貌［12］；用X射線衍射儀（XRD）測薄膜的晶體結構，并通過硬脂酸修飾前后薄膜的XPS譜和C1s譜來分析薄膜表面的化學成分。

2 試驗結果與討論

2.1 XRD譜

由圖1可以看出，除了在38.51°，44.74°，65.13°，78.25°，82.44處出現了較強的基底鋁的特征峰之外，圖中標注“＊”的峰，分別是2θ為12.98°，23.98°，27.95°，30.93°，32.71°，36.74°，57.89°，59.49°的歸屬于堿式碳酸鋅的特征衍射峰（JCPDS卡片號：3－787），這表明鋁片表面上的物質為堿式碳酸鋅。

2.2 SEM 形貌

圖2中的微球體表面分布著無數毛尖茶葉狀的納米纖維，這些納米纖維自球心向外層疊交叉生長，纖維與纖維之間也形成了多孔的微結構，這種微納米的復合結構具有超疏水性。

2.3 潤濕性能

由圖3（a）可見，當水滴滴在未經修飾的堿式碳酸鋅薄膜表面時，水滴很快就鋪展開來，此時的接觸角為0°，顯示出了超親水的性能；由圖3（b）可見，當水滴滴在修飾后的堿式碳酸鋅薄膜表面時，水滴在薄膜上呈現出了很好的圓球狀，顯示出了超疏水的性能，經多次測量可知水滴在此表面上的接觸角為163.1°。

2.4 化學成分

由于硬脂酸修飾前后的堿式碳酸鋅薄膜表面的化學成分對其表面的潤濕性能有決定性影響，故對其表面的化學成分進行分析。由圖4可見，硬脂酸修飾前后薄膜表面都含有碳、氧、鋁三種元素，修飾后的C1s峰明顯增強，這很可能是硬脂酸修飾在薄膜表面而形成的結果。

為了進一步了解硬脂酸修飾前后薄膜潤濕性與表面化學成分的關系，繼續(xù)研究硬脂酸修飾前后薄膜表面的C1s譜。由圖5可見，C1s譜可以進一步分解為結合能分別位于284.6，286.0，288.7eV 的三種不同的碳峰［5］：C—C／C—H，C—O和C＝O。硬脂酸修飾前，薄膜表面碳的原子分數為10.08%，其中C—C／C—H 為52.9% ，C—O為10.3%，C＝O為36.8%；硬脂酸修飾后，其表面碳的原子分數為34.73%，其中 C—C／C—H 為 80.3%，C—O 為7.1%，C＝O為12.6%。這表明，經硬脂酸修飾后，長的烷鏈確實吸附或者接枝在薄膜表面，而且正是薄膜表面上這些低表面能的烷基長鏈改變了薄膜的潤濕性。

3 結 論

（1）在純鋁片表面制備了具有微納米二元結構的堿式碳酸鋅薄膜。

（2）堿式碳酸鋅薄膜在硬脂酸溶液修飾前的接觸角為0°，為超親水表面，經硬脂酸溶液修飾后，接觸角為163.1°，為超疏水表面。

（3）經硬脂酸溶液修飾后，堿式碳酸鋅薄膜的微觀形貌為微球體表面分布著層疊交叉生長的無數毛尖茶葉狀的納米纖維，形成了高低不平的多孔微結構。

（4）堿式碳酸鋅經硬脂酸溶液修飾后，長的烷基長鏈吸附或接枝在薄膜表面，使薄膜由超親水表面變?yōu)槌杷砻妗?/p>

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