超疏水锌表面的制备及其性能研究
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摘 要：将锌片置于盐酸和月桂酸的乙醇溶液中浸泡一段时间后，采用扫描电镜、傅里叶红外变换光谱仪、接触角测量仪分别对其表面结构、化学组成及其疏水性能进行了分析。结果表明锌片经简单浸泡处理后，其表面形成的粗糙结构和月桂酸的共同作用使其表现出很好的超疏水性能。
关键词：超疏水性 锌片 表面结构 成分分析
中图分类号：O647 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0101-02
固体表面的浸润性能一般通过其与液体的接触角大小来衡量。一般来说，与水的接触角小于90°的固体表面称为亲水表面，接触角大于90°的固体表面称为疏水表面，接触角大于150°、具有很好的滚动性能（一般接触角滞后小于10°）的固体表面称为超疏水表面。在自然界中，荷叶和蝉翅膀具有自清洁作用，水黾腿具有稳固的超疏水特性，玫瑰花花瓣具有高黏附超疏水特性，水稻叶子呈现各向异性超疏水性，花生叶子具有高黏性和超疏水性，这些动植物所表现出的特殊浸润性和疏水性引起了科学工作者们的广泛关注。经研究发现，这些固体表面具有超疏水性是由于其表面拥有微细粗糙结构和低表面能的物质共同作用。
由于超疏水表面或薄膜具有超疏水和自清洁的性能，使其不仅在防水防雾、自清洁、抗菌、防腐蚀等方面能发挥其应用价值，而且在防冰防雪、减小船体的摩擦阻力、无损液体传输等方面也极具潜在的应用价值。因此，人们对制备和研究各种超疏水材料有着浓厚的兴趣。目前已经有很多在金属表面构筑微细结构的技术方法，如化学氧化、电化学沉积和腐蚀、化学刻蚀等等。然后，在这些粗糙结构表面上覆盖或自组装一层氟硅烷、氟聚合物、或长链烷基酸等低表面能的物质，即可制备出超疏水固体表面。然而运用这些方法制备超疏水金属表面大都需要一些专门的设备和较为复杂的制备条件。
本文采用简单的一步浸泡法，在常温常压下，将锌片浸入盐酸-月桂酸的乙醇溶液中，发现可以在其表面构筑出具有超疏水性的粗糙结构。单纯的采用盐酸刻蚀虽然能缩短制备粗糙结构的时间，但盐酸与锌基反应速率常常过快而难以控制，而且易在锌表面形成超过微米级的较大的蚀坑，造成表面粗糙结构不均匀。而仅用在月桂酸的乙醇溶液中反应，活性过低且与锌基底反应过慢，形成微纳米级粗糙结构所需的时间过长。结合二者的优点，本文采用盐酸与月桂酸的乙醇溶液来刻蚀修饰锌片，简便地获得了稳定均匀的具有微粗糙结构的超疏水锌片。
1 超疏水锌表面的结构和性能
1.1 超疏水锌表面的制备
先将1 cm×1 cm大小的锌片依次置入蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水中，分别使用超声波清洗器清洗10 min，再置于室温空气中晾干。然后，将上述经过预处理的锌片浸入50 ml盐酸和月桂酸的浓度均为0.01 mol/L的乙醇溶液中，浸泡5天后将锌片取出，在室温空气中晾干。
采用扫描电镜SEM（S3400）观察超疏水表面的形貌如图1a所示，从图1a中可以清晰地看出我们所制备的超疏水锌表面的微细粗糙结构主要是由直径约为0.5 μm，长度在5 μm到10 μm的棒状结构和极少量宽约1.5 μm，长约为3～5 μm的片状结构组成，而基本没有发现锌仅仅在酸性溶液中形成的不规则坑洞。棒状和片状的结构在锌基表面紧密堆积，无序排列共同作用决定了锌基表面的超疏水性能，揭示了该反应过程以沉淀结晶自组装过程为主，锌基质在酸性乙醇溶液中的腐蚀溶解为辅。图1b为水滴在超疏水锌表面的形态示意图，从该图可以看到水滴与超疏水锌表面的接触面很小，水滴呈圆球状。采用FT1000接触角测量仪测量表面的接触角约为154.6°，表现出良好的超疏水性能。（如图1）
1.3 超疏水表面的FT-IR红外分析
使用FT-IR红外技术进一步对超疏水表面进行了表面成分等的详细表征分析。图2中虚线谱图、粗实线谱图和细实线谱图依次是纯Zn片、超疏水锌片表面和CH3（CH2）10COOH的红外光谱图。细实线中的3300-2500、1700、1430、1300、980 cm-1出现的吸收峰分别为十二酸C-H伸缩振动，C=O伸缩振动，C-H面内弯曲振动，C-O伸缩振动以及O-H面外弯曲振动。纯锌片对应的虚线谱图在1600 cm-1附近出现吸收峰为ZnO，超疏水锌表面对应的粗实线谱图与纯十二酸的红外谱图相比十二酸在1700 cm-1处的O-H伸缩振动吸收峰和1300 cm-1处对应的C-O伸缩振动消失而在1545 cm-1和1400 cm-1处出现了新的配位COO-特征峰，对应着生成的羧酸盐COO-的对称伸缩振动和不对称伸缩振动吸收峰。超疏水锌片的谱图与纯锌片的谱图相比出现了3100～2800 cm-1的C-H伸缩振动以及1545 cm-1和1400 cm-1处出现的配位COO-特征峰。这说明溶液中的CH3（CH2）10COO-与Zn2+结合生成了十二酸锌，这与扫描电镜中出现的棒状和片状结构相互验证。（如图2）
2 结论
以锌片为基底，在十二酸-盐酸乙醇溶液中浸泡一段时间后，Zn片表面的Zn和ZnO在溶液中腐蚀溶解后产生的Zn2+与CH3（CH2）10COO-在Zn片表面沉淀结晶，生成以棒状为主和少量片状的Zn[CH3（CH2）10COO]2，使此表面表现出良好的超疏水性，水滴在其表面的接触角为154.6°。低表面能的长链烷基酸和无序排列棒状及片状粗糙结构的协同作用是锌基表面表现出良好的超疏水性原因。本制备方法简单易操作、制备条件无特殊要求、成本低廉，为锌片或其他材料表面上构筑超疏水表面提供了新的思路，具有潜在的应用价值。
参考文献
[1] 刘双平，俞熹.荷叶效应的研究[J].大学物理.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] 朱丽丽，陈银燕，张琳，等.超双疏自清洁变色织物[J].科技资讯，2012，60.
[5] 邱宇辰，刘克松，江雷.花生叶表面的高黏附超疏水特性研究及其仿生制备[J].中国科学：化学，2011，41（2）：403～408.
[6] Farhadi S.，Farzaneh 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.