市场咨询:021-51035200   应急服务:18918186798
7×24H 全国统一服务电话:400-021-5767

新闻动态

您所在的位置:首页 > 新闻动态 > 行业新闻

电沉积法制备超疏水涂层的研究进展

发布时间:2020.10.27    点击数: 3409

      超疏水表面是指水滴表面静态接触角大于150°、滚动角(滑动角)小于10°的固体表面,在自然界中广泛存在,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚掌、水黾腿、昆虫眼、蝴蝶翅膀、甲壳虫背壳等超疏水表面。

       1997年,德国植物学家BARTHLOTT和NEINHUIS通过对荷叶的研究发现,荷叶表面具有微纳米二级乳突结构,乳突表面又分布着纳米级的蜡质层。2003年,FENG等基于荷叶表面微米乳突上存在的纳米结构提出了超疏水性是表面复合微、纳米二元结构和低表面能蜡质层共同作用的观点。

       研究发现,超疏水涂层的制备方法可概括为两种方式:在具有疏水性能的材料表面构造微结构;在具有亲水性能的材料表面构造微结构并降低表面能。生活中常用的金属大多具有亲水性,在其表面构造微结构并且通过表面修饰剂修饰的方式可以获得超疏水涂层。

        近年来,超疏水涂层因其独特且优异的性能,受到国内外研究人员的广泛关注。根据Web of Science数据库的不完全统计,与超疏水涂层相关文章的发表数量以每年近15%速率增长。

      目前,在材料表面制备超疏水涂层的方法主要有刻蚀法、电沉积法、溶胶-凝胶法、相分离法、静电纺丝法等。其中,电沉积法具有工艺简单、设备低廉、操作容易、重复性高等优势,利于产业化大规模生产,并且可通过改变加工参数获得各种微纳米结构的表面,因此该方法备受关注。

        电沉积技术是一种应用广泛的金属沉积技术,主要用于金属基体的涂覆,以改善金属表面的外观、耐磨损和耐腐蚀等特性。电沉积过程是一种电化学过程,也是氧化-还原过程,其研究的重点是“阴极沉积”。

       上图为实验室典型电沉积装置示意图,阳极和阴极(通常是被涂覆的基体)浸在含有金属离子的电解液中,在两个电极之间施加一定的电势,阳极发生氧化反应而溶解,阴极发生还原反应使金属离子沉积在其表面形成涂层。

      电沉积法按沉积原理可分为阳极电沉积和阴极电沉积。金属电沉积的难易程度以及沉积物的结构形态不仅与沉积金属的性质有关,而且与电解质的组成、pH、温度、电流密度等因素有关,故可以通过电流密度、镀液添加剂和镀液的化学性质等多种参数来控制超疏水涂层的制备。根据其工作条件不同,电沉积法可分为直流电沉积、脉冲电沉积、扫描电沉积以及复合电沉积等。

01直流电沉积法

       直流电沉积法是采用直流电源进行沉积的过程。新晶核的生成和晶体的成长是电沉积过程中非常关键的步骤,主要取决于吸附表面的扩散速率和电荷传递反应速率,这两个步骤会直接影响涂层晶粒的大小。如果阴极表面具有高表面扩散速率,电荷传递反应相对较慢,导致少量原子吸附以及电势过低,这有利于晶体的成长;相反,低的表面扩散速率和大量的吸附原子以及高的过电势,都将增加成核速率。电解液的组成和沉积时间会影响吸附表面的扩散速率和电荷传递反应速率,因此这两个因素都是影响直流电沉积的关键因素。

       YANG等用一步直流电沉积法在阴极铜衬底上制备了微纳米级菜花状/刺状簇结构的镍膜超疏水涂层,通过调整加工时间,可使该表面的水接触角达到(160.3±1.5)°,小滚动角达到(3.0±0.5)°,具有良好的超疏水性。

        FAN等采用一步直流电沉积法在阴极C45钢表面制备了具有层次的微纳米乳突结构超疏水铁膜。结果表明,该超疏水涂层的接触角为(160.5±0.5)°,滑动角为(2±0.5)°,且该超疏水涂层具有良好的化学稳定性。

       ZHENG等以硝酸镁和硬脂酸乙醇溶液为电解质,用一步直流电沉积法在阴极镁合金表面制备超疏水涂层,并设计了4组不同比例的电解质,探讨了电解质对工艺的影响。结果表明,制备的4种超疏水涂层的接触角分别为136.4°、152.7°、156.2°和155.1°。

       HAO等以含ZnCl2和CH3(CH2)12COOH的乙醇溶液为电解液,采用一步直流电沉积法同时制备了阳极和阴极超疏水涂层:阳极铜表面覆盖着Cu[CH3(CH2)12COO]2和CuCl,最大接触角为166°;而在阴极表面则出现了Zn[CH3(CH2)12COO]2和Zn。最大接触角为168°。

 

02脉冲电沉积法

       脉冲电沉积是采用脉冲电流进行沉积的过程,能控制镀层的结构和化学成分,与直流电沉积相比,脉冲电沉积更容易得到纳米晶镀层。采用脉冲电流时,由于存在脉冲间隔,使增长的晶体受到阻碍,减少了外延生长,生长的趋势也发生改变,从而不易形成粗大的晶体。可通过控制脉冲电沉积时的波形、频率、通断比及平均电流密度等参数使纳米镀层获得特殊性能。

        JIANG等在含有氯化镧(LaCl3·6H2O)、酵母酸[CH3(CH2)12COOH]和乙醇的电解液中,采用一步脉冲电沉积工艺,以不同的占空比在阴极铜衬底上制备了超疏水涂层。结果表明,所制备表面具有微纳双尺度结构,最大水接触角约为160.9°,对应的滑动角约为5°。

       AKBARI等采用脉冲电沉积技术,在不同的沉积温度下,在阴极Au/Si(100)衬底上制备了具有八面体金字塔微观结构的铜基涂层,该结构可以捕获结构内部的空气带,使水接触角高达154°。

 

03扫描电沉积法
       与传统电沉积法相比,扫描电沉积的沉积速率快几倍,且具有较高的加工电流密度和良好的液相传质效果。该方法常用于制备铁磁性材料的超疏水涂层,通过调节电磁铁的电流可以改变磁场强度,从而实现对纳米颗粒的吸附控制。在沉积过程中,施加高电流密度可以将溶液通过喷嘴喷射到基体上。此外,该方法可以根据需要调整喷嘴形状和工件扫描路径,实现选择性沉积。该方法具有成本低、工艺简单、易于实施和环境保护等优点。

       SHEN等通过扫描电沉积技术在阴极制备了超疏水镍镀层,初始时镀层表面有菜花状的团簇生成,不具有超疏水性质,但在空气中暴露一周后,水滴接触角达到155.4°,且滑动角只有6.5°。

       SHEN等采用一种磁场诱导选择性扫描电沉积技术在阴极制备了超疏水镍镀层,并通过调节磁场强度改变镀层的密度,从而影响镀层的疏水性。结果表明,刚制备的镀层只具备疏水性质,在空气中暴露5天后,原始镀层变为超疏水表面,其接触角达155.4°。

 

04其他电沉积法

常见的电沉积法还有热喷涂沉积、复合电沉积、电刷镀电沉积等。

       CHEN等采用热喷涂沉积方法在阴极制备了多种无机材料的微纳米表面,并在这些表面涂上一层聚四氟乙烯薄膜对其进行表面化学改性,最终使这些表面的接触角达到155°、滑动角度达3.5°。

       MENG等通过TiO2/Ni复合电沉积法在阴极Ti6Al4V衬底上制备了一种附着力低、耐磨性好的超疏水涂层,并用氟烷基硅烷(FAS)对其进行了化学改性,使所制备表面的接触角高达162.6°,滑动角接近1.8°。

       CHEN等采用电刷镀电沉积方法在阴极Q345碳钢表面沉积了具有低附着力的超疏水纳米Cu/Al2O3 Ni-Cr复合涂层,该涂层的接触角可达156°,滑动角小于2°。

 

超疏水涂层的应用

01腐蚀与防护

       超疏水涂层的纳米结构间隙存储空气形成气膜,可有效减小金属与腐蚀性液体如水、有机物、离子等的接触,从而达到防腐蚀目的,降低防腐蚀成本。
       ZHANG等在铁衬底上用黑铬电沉积和硬脂酸改性的方法制备了超疏水涂层。结果表明,制备的超疏水膜具有相当高的耐蚀性(其电荷转移电阻达1.31×106Ω·cm-2),可以对基体起到良好的缓蚀效果(缓蚀率达99.94%)。
        ALIPOUR等研究了固体和SiO2介孔颗粒在锌基复合涂层中的共电沉积。结果表明,SiO2介孔颗粒经3-巯基丙基三甲氧基硅烷表面改性后,所制备的复合涂层具有更好的耐蚀性。
       LI等采用喷砂与电沉积相结合的方法在304不锈钢表面制备了一种具有良好疏水性的镍镀层。在盐酸浸泡试验中,该镍镀层的耐蚀性明显增强,具有较低的腐蚀电流密度。
 
02油水分离
 
       油水分离是超疏水涂层的重要应用之一。超疏水涂层一般表现为亲油性,使极性差异较大的水和油呈现排斥或吸引两种不同状态,故可实现油水分离。对于油水乳液体系,主要利用超疏水膜网来实现二者的过滤分离,而膜网表面能和粗糙度对于液滴聚并和乳液过滤效果起关键作用。
      YOU等先在铜网表面电沉积锌/氧化锌晶体,再通过电沉积法制备了高效的油水分离装置。结果表明,该油水分离装置对于所有测试的油/水混合物的分离效率都大于99.0%,所测试的油入侵压力都在1.5kPa以上,重复使用50次后,仍表现出良好的稳定性。
       XIANG等采用一步电沉积法制备了一种新型超疏水超亲油涂层,这种涂层具有多种油水混合物的连续分离能力,且分离效率约为98.6%,经10个分离周期后,对润滑油/水混合物的分离效率仍高达97.8%。
       WANG等采用单极性脉冲电沉积法成功制备了超疏水、超亲油涂层改性不锈钢网过滤器,然后用十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)进行改性获得CO(OH)2/HDTMS SS网过滤器,在高温下(160℃)过滤器对油/水混合物的分离效果优良。
 
03自清洁
 
       自清洁是超疏水涂层直接受自然界超疏水表面自清洁现象启示的典型应用。超浸润性使水滴在超疏水表面呈现出大接触角和小滚动角的特点,在滚动过程中水滴能带走灰尘等细小尘埃颗粒,达到清洁表面、防止表面积尘污染的目的。
       QING等通过金属电沉积方法制备了具有自清洁作用的超疏水涂层,经过50次砂纸磨擦和石油污染的周期试验后,该涂层仍表现出良好的自清洁能力。
       HE等采用电沉积和退火相结合的方法,在具有不规则多面体结构的锡基表面制备了超疏水锌/氧化锌涂层,该涂层表面具有良好的滚脱性能和自清洗性能。
 
04其他应用
 
除了用于上述传统化工领域外,超疏水涂层还可应用在诸如抗菌、防紫外线、食品包装等领域。
       TESLER等通过在钢表面电沉积纳米多孔氧化钨薄膜制备了防污涂层,其显著降低了海藻膜的附着力、大肠杆菌的附着和血液染色,试验验证了这种耐用防污涂层在生物絮凝条件下的适用性。
       LIN等采用简单的两步低温电沉积法制备了一种耐紫外超疏水ZnO/Ni类荷花纳米结构涂层,该涂层具有良好的耐紫外线、超疏水性。
 
结 语
 
       虽然电沉积技术具有工艺简单、条件温和、利于产业化生产等优势,其所制备的超疏水涂层在防腐蚀、自清洁、油水分离、防污等领域具有良好的应用前景。但目前还没有电沉积法制备超疏水涂层的相关评判标准,而且制备的超疏水涂层与基体结合力较差、抗磨损性能欠缺、不具备自修复性能,导致其表面微纳米结构稳定性不高、易破坏、材料重复利用率低等,这些劣势都限制了其进一步应用和发展。因此,今后电沉积法制备超疏水涂层的研究应着重于以下几点:
 
01制订和完善电沉积工艺的评判标准,规范操作,简化流程。
02改进现有技术,开发新型电沉积工艺,制备性价比高、稳定性好、对环境友好且适于商业化应用的产品。
03着重提高超疏水涂层与基体的结合力,提高其力学性能。
04与多种方法结合或添加特殊物质(比如纳米颗粒)丰富超疏水涂层的化学性能,比如自修复性能。
05使用环境友好的电解液,做到循环使用和可回收利用。
 
        目前,电沉积法制备超疏水涂层的工艺和应用正朝着低成本、高效率、大规模等方向发展,相信经过不断的工艺改进和简化,会开发出更经济环保、工艺简单、产品质量高的电沉积法应用于超疏水涂层的实际制备和生产中。
 
 

 

        关于良时智能 About Liangshi IntelRobot:
        上海良时智能科技股份有限公司(股票代码:837430 厚积薄发 持续创新),为全球客户提供表面处理系统解决方案,从业20多年,是一个集研发、设计、制造、工程安装、工程咨询于一体的专业化制造及自动化智能控制系统集成公司,能为客户解决:
        Shanghai Liangshi IntelRobot Technology Corporation (Stock Code: 837430 Accumulate richly and break forth vastly; innovate continuously) provides surface treatment sandblasting system solution for global customers. By engaging in this industry for more than twenty years, we're a professional manufacturing and automatic intelligent control system corporation, which integrates researching, designing, manufacturing, project installation and project consulting. We can provide our customers with:
        1、表面处理喷抛丸、喷丸强化设备、热喷涂和涂装设备工艺系统解决方案和工艺装备;
              We provide process system solution and process equipments of surface treatment sandblasting shot blasting, shot peening, enameling, thermal spraying, coating equipment.
        2、自动化和机器人应用工艺系统解决方案和工艺装备;
              We provide professional system solution and process equipments of automation and robot technology application.
        3、食品乳品、制药、生物、制冷、石油化工、船舶制造、能源、造纸、纺织系统领域承压系统集成整体解决方案;
              We provide professional integrated solution for pressure bearing system in fields of food dairy, biopharmaceutical, refrigerating, petrochemical, marine engineering, energy, paper-making, fabrics, etc.
        4、涂装环保设备:VOC废气、废水、粉尘处理和噪音治理系统工艺解决方案和工艺装备。
              We provide environment protection blasting and painting equipment: process solution and equipment of VOCs waste gas, waste water, dust, noise treatment system.
        企业主导产品如下 The leading products of our company are as follows:
        主营业务:表面处理工程系统集成的设计、研发、生产和销售。
        Main business: design, research, production and sales of surface treatment engineering system integration.
        六类主要产品:自动化涂装生产线、智能机器人喷涂系统、自动化喷抛丸生产线、智能机器人喷抛丸强化系统、自动化热喷涂系统、涂装节能环保设备。
        Six main product categories are: automatic painting production line, intelligent robot painting system, automatic shot/wheel blasting production line, intelligent robot shot peening system, automatic thermal spraying system, energy saving and environmental protection equipment for painting.
        产品主要应用于:新材料、新能源、工程机械、汽车制造、集装箱、船舶海洋工程、航空航天、港口桥梁、电子电气、环保工程、印刷造纸机械、医疗机械、纺织机械等领域。
        The products are mainly applied in: new materials, new energy, engineering machinery, automobile manufacturing, containers, marine engineering, aeronautics and astronautics, port bridges, electronic and electrical, environmental protection engineering, printing and papermaking machinery, medical machinery, textile machinery and so on.
        公司生产的表面工程系统集成具备智能、自动化的特点,可实现工业生产过程自动化控制,因而属于自动化装备。根据《高端装备制造业“十二五”规划》中对高端装备的定义“主要包括传统产业转型升级和战略性新兴产业发展所需的高技术高附加值装备”,公司产品属于高端装备,是为国民经济其他行业提供技术装备的战略性产业。
        The surface engineering system of our company integrates the characteristics of intelligence and automation, it can realize the automatic control of industrial production process, so it belongs to automatic equipment. According to the definition of premium-end equipment of 《The 125th programme of premium-end equipment manufacturing industry》, “it mainly includes the high technology and high value-added equipment required by traditional industrial transformation upgrading and the development of strategic new-emerging industries”. The company's products belong to the premium-end equipment, which is a strategic industry that provides technical equipment for the other industries of the national economy.
更多讯息,敬请浏览http://www.shliangshi.comhttp://www.shliangshi.net
电话:021-51035200,68913886      传真:021-68907128
全国服务:400-021-5767      应急服务:18918186798
邮箱:webmaster@shliangshi.com
分享到
产品中心
喷砂机/喷丸机系列
自动喷砂机/喷丸机
数控喷丸强化设备
抛丸机/抛丸生产线
喷砂房/喷丸房系统
喷砂(丸)生产线系统
喷涂设备 喷漆(粉)室
热喷涂设备及生产线
喷涂生产线 涂装房
工业搪瓷喷涂设备
船舶特涂技术及装备
喷丸喷砂喷涂机器人
压缩气源及净化设备
表面处理涂装和喷丸强化检测仪器
解决方案
航空航天
船舶海工
汽车制造
轨道机车
物流装备
桥梁钢结构
工程机械
电力能源
石油化工
冶金铸造
电子电器
生物医药
印刷纺织
环保再制造
工程案例
智能涂装生产线系统
喷砂机/喷砂机设备
喷丸机
喷砂房喷丸房
喷砂生产线
抛丸生产线
喷漆房烘干房
喷砂房涂装房
喷涂生产线
涂搪生产线
喷烘一体房
船舶涂装房
废气处理设备
铝扁管喷锌线
新闻中心
企业新闻
行业新闻
公益新闻
媒体关注
人力资源
人才战略
招聘职位
在线应聘
关于良时
企业介绍
企业文化
视觉良时
发展历程
合作伙伴
社会责任
企业认证
组织机构
产业布局
法律声明
旗下网站链接
上海良时智能科技股份有限公司
上海良时压力容器制造有限公司
上海良时喷砂房系统设备事业部
上海良时喷丸强化设备事业部
上海良时热喷涂设备事业部
上海良时喷漆室喷漆房事业部
上海良时抛丸机抛丸线事业部
上海良时机器人自动化事业部
上海良时北方销售中心(大连)
联系我们
留言反馈
市场咨询:021-51035200
服务电话:400-021-5767
应急服务:18918186798

沪公网安备 31012002002175号