[发明专利]一种铝材各向异性超疏水表面及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铝材各向异性超疏水表面的制备技术。该技术采用百洁布、砂纸、钢刷等硬质粗糙材料，对铝材先后进行定向粗磨和定向细磨，放入碱液后去氧化皮、活化，并进一步粗糙化，随后的弱碱性沸水浸泡处理可构建出多级微纳复合结构，经氟硅烷化学改性后，即可获得各向异性超疏水表面，沿着定向打磨方向，铝片具有超疏水性，接触角大于150°，滚动角小于10°，呈Cassie复合态接触，而垂直于打磨方向，接触角无变化，但滚动角在10‑20°之间，水滴更易于沿着打磨时形成的条纹/凹槽的平行方向运动，这种表面在定向冷凝集水、滴状冷凝传热和定向除霜除冰，以及微流体、生物医学设备等领域中有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种铝材各向异性超疏水表面的制备技术。

背景技术

生物体中特殊的微米-纳米复合结构可赋予其特殊的表面特性，典型的就是具有“荷叶效应的植物叶表面”(如荷叶等)和昆虫翅膀(如蝉、蝴蝶翅膀等)的超疏水特性。而生物体中特殊的各向异性微纳结构，则具有了这些结构所赋予的一些特殊的润湿性能。例如水稻叶子具有各向异性分级结构，并表现出超疏水性。水稻叶子表面的微乳突排列呈现各向异性，并且这些微乳突的准一维的排列方向与叶边缘呈平行分布。因此，水稻叶表面呈现出各向异性润湿性，水滴可以轻易地沿着与叶边缘平行的方向滚动，从而引导雨水流向。蝴蝶翅膀表面具有的微米级的薄片堆叠构型以及薄片之间形成的纳米级条纹结构，使其具有各向异性润湿特性。水滴在该结构表面沿着主轴线向翅膀外侧定向滚动，而不会向身体方向滚动。这种结构在自然界中广泛存在并有良好的实用性，受此启发，各国的科研工作者运用仿生学的思路与方法，不断探究自然界中的各向异性微纳结构及其特性，并进一步把这些已经存在的各向异性微纳结构运用到实际生产生活中去。

各向异性超疏水表面具有特殊的润湿行为，在定向冷凝集水、滴状冷凝传热和定向除霜除冰，以及微流体、生物医学设备等领域中有广阔的应用前景。随着各种研究技术的不断进步发展，人们对各向异性微纳结构进行了广泛而深入的研究。例如，在研究了水稻叶子表面的微纳结构后，Feng等认为水稻叶子表面微乳突结构的排列影响了其润湿性能，他们设计了润湿性可调的碳纳米管薄膜结构，从而液滴只会沿着特定的方向滚动，而不会像荷叶表面液滴那样可以沿着任意方向滚动，并且在沿着“凹槽”方向的滚动角大小和垂直于“凹槽”方向的滚动角大小不同【Feng L.et al.Adv Mater.2002,14:1857】。Chen等用飞秒激光光刻法在硅基片表面制得了各向异性微纳结构，通过扫描电子显微镜观察，发现硅基片上形成了相互平行的带状结构，且带和带的间隙宽度为500～1500μm，带本身的宽度是200μm【Chen F,Zhang D.et al.Langmuir.2007,23:6212】。除此以外，也有学者利用电火花加工法、模板法制备定向微结构，或是利用倾角气相沉积、定向变形来获得各向异性的微结构，从而使得各个方向的润湿性出现差异性。虽然现有的技术能实现差异化润湿性，但一般只能具有疏水性，或是不能在两个方向都具有超疏水性，至少在一个方向上，水滴的滚动角大于10°，难以滚动，且往往与表面呈Wenzel润湿态接触，粘附力大，这非常不利于这种表面应用于定向冷凝集水、滴状冷凝传热和定向除霜除冰，因为这些领域不但要求水滴运动有各向异性，还要求在各个方向都要呈Cassie复合态接触，黏附小，以便于脱附。

各向异性微纳结构相对于荷叶表面规则的乳突状结构而言，具有特殊的润湿性。尤其是以沟槽结构为代表的各向异性微纳结构，其在不同方向呈现不同的润湿性，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供一种可大规模应用的铝材各向异性超疏水表面及其制备方法，简单易行

技术方案为：一种铝材各向异性超疏水表面的制备方法，包括下列步骤：

(1)定向结构构建：将铝或铝合金材料固定，先用工具进行定向粗打磨10-20次，随后再同向进行定向细打磨10-20次；

(2)碱洗：把打磨后的试样先后分别在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗干净，吹干后浸入稀碱溶液中清洗，去离子水清洗，吹干后备用；