馬曉夢(mèng)，陳 雪，余 俊，曾孟陽(yáng)，陳 錢，伍鴻哲，袁 軍

(武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

1 引言

耐蝕性超疏水表面由于其耐鹽性和疏水性在海洋運(yùn)輸、熱交換器、管道、電廠、平臺(tái)結(jié)構(gòu)等工業(yè)上都有著很大的應(yīng)用前景[1-4]。這類材料表面由于其疏水性、抗粘附和自清潔等特性而備受關(guān)注[5-7]。受荷葉研究[8]的啟發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)自然構(gòu)筑仿生微納米結(jié)構(gòu)粗糙表面，并在其表面涂覆低表面能材料來(lái)得到疏水表面[9]。表面粗糙度和疏水性之間的主要聯(lián)系是由Cassie、 Baxter[10]、Wenze[11]提出的。在構(gòu)建微納米結(jié)構(gòu)疏水表面上，諸多文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了許多種設(shè)計(jì)方法，如模板法[12]、刻蝕[13]、逐層沉積[14]、膠體組件[15]、電沉積[16]、溶膠-凝膠方法[17]等。氧化鈰是一種價(jià)廉易得的稀土材料，與傳統(tǒng)的基于鉻的抗腐蝕涂層相比較，氧化鈰因?yàn)槠潆娮咏Y(jié)構(gòu)而帶有固有的疏水性[18]，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于拋光材料、汽車尾氣催化劑、氣體傳感器、電解質(zhì)材料等領(lǐng)域[19-12]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可以了解到，在室溫下用一個(gè)簡(jiǎn)單的浸漬工藝在鎂合金上涂覆有氧化鈰膜來(lái)使鎂合金表面達(dá)到超疏水的效果，全過(guò)程可以在幾十分鐘內(nèi)完成[22]。然而，它們并沒(méi)有解釋氧化鈰膜在鎂合金上的生長(zhǎng)機(jī)理，且在不同的沉積參數(shù)下微觀結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性能的變化方面，以及在不同的底物上直接生長(zhǎng)氧化鈰等均少有研究。在此，我們采用了一種簡(jiǎn)便的無(wú)模板水熱法，確定了最佳反應(yīng)參數(shù)，可用于直接生長(zhǎng)在不同的基體上，包括鋁合金、不銹鋼、鈦和硅。這種低溫度的水熱方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)。本次試驗(yàn)采用了不銹鋼網(wǎng)基材，為確保氧化鈰晶體生長(zhǎng)在基材上復(fù)合膜層的耐久性，在水熱法前增加了溶膠凝膠法預(yù)處理。最終可以得到靜態(tài)接觸角達(dá)到149°的疏水性不銹鋼網(wǎng)膜。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 試劑及儀器

硝酸鈰，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸，分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；尿素，分析純，西隴科學(xué)股份有限公司；不銹鋼網(wǎng)，100目，無(wú)錫市三磊篩網(wǎng)制品有限公司。

接觸角測(cè)量?jī)x，Data physics OCA20，上海富格貿(mào)易有限公司；數(shù)控超聲波清洗器，KQ-100E，昆山市超聲儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海-恒科學(xué)儀器有限公司；SZCL-2A數(shù)顯智能控溫?cái)嚢杵鳎籎SM-5510LV掃描電子顯微鏡；SRJX-3-9型馬弗爐。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在本實(shí)驗(yàn)中，先對(duì)基材的表面進(jìn)行預(yù)處理來(lái)排除其他物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。將基材a，b兩片剪裁成長(zhǎng)寬約5cm規(guī)格，均置于丙酮、乙醇溶液中超聲清洗15min，烘干備用。采用溶膠凝膠法在基材a上預(yù)先涂覆一層氧化鈰凝膠做膠粘劑：將0.2mol/L檸檬酸的醇溶液緩慢加入到0.1mol/L硝酸鈰醇溶液中，加熱至65℃攪拌21h，后老化一段時(shí)間，置于80℃烘箱中烘干2h得到硝酸鈰溶膠。將溶膠均勻涂覆在基材上，60℃烘干30min，再重復(fù)上訴步驟4次得到涂覆好的基材a。最后使用水熱法在基材a和基材b上生長(zhǎng)氧化鈰晶體。將0.87g六水合硝酸鈰加入40mL去離子水中攪拌溶解，緩慢加入0.05g十六烷基三甲基溴化銨，微加熱攪拌30min，再加入1.2g尿素于室溫下攪拌至完全溶解。將最后得到的溶液倒入在反應(yīng)釜中，并使基材平置于釜底，在95℃下電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)下水熱晶化24h。水熱晶化完成后取出基材用去離子水徹底清洗表面多余粉末，室溫干燥后在450℃下焙燒3h。最后得到疏水性不銹鋼網(wǎng)，見(jiàn)圖1。

圖1 水熱法直接生長(zhǎng)氧化鈰示意圖

2.3 油水分離性能測(cè)試

取一定質(zhì)量M g的油，用油紅o染成紅色(便于區(qū)分觀察)。將染好色的油與m g的水混合成油水混合物備用。將做好的不銹鋼網(wǎng)固定在如圖裝置的漏斗與錐形瓶中間。將配好的油水混合物倒入漏斗中，由于不銹鋼網(wǎng)的疏水親油性，紅色的油將會(huì)透過(guò)不銹鋼網(wǎng)流入下方錐形瓶中，而水將會(huì)截留在上方漏斗中。記下分離出的水的質(zhì)量m0g。我們定義油水分離效率方程為：

圖2 不銹鋼網(wǎng)膜油水分離試驗(yàn)

3 結(jié)果與討論

3.1 氧化鈰微觀形貌

圖3 使用溶膠凝膠法預(yù)處理基材a

圖4 未使用溶膠凝膠法預(yù)處理基材b

圖5 未處理原始不銹鋼基材

由掃描電鏡圖3、圖4、圖5可以看出，氧化鈰晶體均勻的生長(zhǎng)在基材a和基材b表面。而基材b表面的氧化鈰晶體成柱狀生長(zhǎng)，且分布不均，并沒(méi)有將不銹鋼網(wǎng)表面完全覆蓋。經(jīng)過(guò)溶膠凝膠法預(yù)處理過(guò)的基材a表面則均勻且致密的生長(zhǎng)了一層氧化鈰晶體，將不銹鋼網(wǎng)表面完全包覆住。

3.2 不銹鋼網(wǎng)的疏水性

圖6 基材b靜態(tài)接觸角

圖7 基材a靜態(tài)接觸角

由接觸角測(cè)試圖6、7可以看出，未處理過(guò)的不銹鋼網(wǎng)膜的靜態(tài)接觸角為110°[23]，而未經(jīng)過(guò)溶膠凝膠預(yù)處理的基材b的靜態(tài)接觸角為130°，而經(jīng)過(guò)溶膠凝膠預(yù)處理的基材a的靜態(tài)接觸角為149°?？梢哉f(shuō)明在不銹鋼網(wǎng)膜表面直接生長(zhǎng)氧化鈰晶體可以提高不銹鋼網(wǎng)的疏水性，而考慮到后期使用的耐久性，我們?cè)谒疅岱ㄖ笆褂玫娜苣z凝膠預(yù)處理使不銹鋼網(wǎng)膜的疏水性大大提高，且有利于氧化鈰晶體在基材上的穩(wěn)固性，增強(qiáng)了網(wǎng)膜后期使用的耐久性。

4 結(jié)論

本論文采用了一種簡(jiǎn)便、無(wú)模板的水熱法，在不銹鋼網(wǎng)上均勻的直接生長(zhǎng)氧化鈰，生長(zhǎng)的氧化鈰主要由結(jié)晶的CeO2組成。在沒(méi)有疏水修飾劑的情況下，長(zhǎng)有氧化鈰晶體的不銹鋼網(wǎng)膜顯示出了疏水性(接觸角約為149°)。且經(jīng)過(guò)溶膠凝膠法預(yù)處理過(guò)的不銹鋼網(wǎng)的疏水性比未經(jīng)處理的不銹鋼網(wǎng)的疏水性要強(qiáng)。此外，油水分離實(shí)驗(yàn)可以看出，不銹鋼網(wǎng)膜在油水分離應(yīng)用上有很大前景。這種簡(jiǎn)單的直接生長(zhǎng)氧化鈰的方法，可以廣泛應(yīng)用于各類工程應(yīng)用中，且對(duì)于水路運(yùn)輸不銹鋼材質(zhì)的物料防腐也有著很大的作用。