仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO制造技术

本发明专利技术涉及金属材料表面改性技术领域，尤其涉及仿生免修饰超疏水Cu‑Zn‑CeO

Biomimetic modification free superhydrophobic Cu-Zn-CeO

【技术实现步骤摘要】
仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法及其应用
本专利技术涉及金属材料表面改性
，尤其涉及一种仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法及其应用。
技术介绍
本专利技术
技术介绍
中公开的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。目前，我国大部分陆地油田开采进入中后期，产出液中含水量不断上升，油气井管、地面集输系统管线和设备等的结垢问题愈发严重。除垢会影响生产，需要消耗大量的除垢剂或施工机具，投入成本高，浪费人力和能源，且不能根除结垢。因此，从源头上控制油气井管、地面集输系统管线和设备等结垢具有重要的意义。结垢伴随着复杂的物理化学反应，可分为两步：一是以固体表面为衬底生成垢的晶核；二是晶核长大形成结垢层。根据Young’s理论，相同条件下，固体表面能越小，接触角就越大，则晶体在该固体表面的形核功也越大，其异质形核能力也就越低。因此，设法增大油田采出液与管线和设备之间的接触角，实现钢材表面的疏水性，避免垢晶体以管线和设备表面为衬底形核长大，可以解决其表面的结垢问题。通常，金属基表面实现超疏水性除了需要构建合适的表面微结构还需要低能物质进行表面修饰。然而，本专利技术人研究发现：低能修饰物大都是含氟或者烷烃类等有机物质，它们通常很脆弱且易溶于有机溶剂，大大降低了超疏水表面的稳定性。
技术实现思路
针对上述的问题，本专利技术人认为如果不经过低能修饰也能实现超疏水，有望大大提高管线和设备上超疏水表面的稳定性。为此，本专利技术提出了一种仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法及其应用，该方法结合CeO2自身的疏水特性和CuO/ZnO的吸氧性，通过一步电沉积形成的Cu-Zn-CeO2层在不经过低能修饰的情况下即实现了超疏水性。本专利技术第一目的：提供一种仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法。本专利技术第二目的：提供所述仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术手段为：首先，本专利技术公开一种仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法，包括如下步骤：(1)电沉积溶液配置：将水溶性的铜盐溶液、锌盐溶液分别与酒石酸钾钠混合，分别得到溶液A、溶液B，备用；然后将溶液A、溶液B混合后再加入氢氧化钠，最后加入纳米CeO2，搅拌均匀，即得。(2)利用电沉积技术将步骤(1)得到的电沉积溶液沉积在金属表面形成仿生微纳米复合结构Cu-Zn-CeO2层；然后将该金属在室温条件下自然放置达到设定的时间，即可。其次，本专利技术公开所述仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法在金属表面疏水性改性中的应用。与现有技术相比，本专利技术取得了以下有益效果：(1)本专利技术使用的CeO2中的Ce2+的电子中未填充的4f轨道完全被外轨道(5s2p6)的八位电子所屏蔽，没有与水分子相互作用的倾向，因此具有疏水性，而CuO/ZnO含有氧离子空位或者金属正离子空位，需要吸附氧来完成电荷的重新分配，保持平衡，吸附的氧具有一定的疏水性，因此，把具有疏水特性的CeO2和CuO/ZnO的吸氧性结合来满足超疏水所需要的表面成分要求；把电沉积形成的微纳米复合结构来满足超疏水所需要的表面微结构要求。而且仅通过一步电沉积便成功得到了表面含有仿生微纳米复合凸起结构的Cu-Zn-CeO2层，未经低表面能物质修饰，在室温下自然放置40天以后成功实现了超疏水性，与水的接触角为152°、滚动角小于10°。(2)本专利技术提出的方法制备的Cu-Zn-CeO2层的微纳米结构特点和低表面特性通过电沉积和室温环境放置便可实现，相对于传统的方法，本专利技术的这种方法更加简单高效，不需要复杂的工艺步骤和参数控制以及原料的选择，同样能够使金属表面产生优异的疏水性。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是本专利技术第一实施例制备的仿生电沉积Cu-Zn-CeO2层放置5天时的不同倍数的SEM图。图2是本专利技术第一实施例制备的仿生电沉积Cu-Zn-CeO2层放置5天时的EDS图。图3是本专利技术第一实施例制备的仿生电沉积Cu-Zn-CeO2层放置40天时的不同倍数的SEM图。图4是本专利技术第一实施例制备的仿生电沉积Cu-Zn-CeO2层放置40天时的EDS图。图5是水滴在本专利技术第一实施例制备的仿生电沉积Cu-Zn-CeO2层上的接触角测试图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如前文所述，低能修饰物大都是含氟或者烷烃类等有机物质，它们通常很脆弱且易溶于有机溶剂，大大降低了超疏水表面的稳定性。为此，本专利技术提出了一种仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法。在一些典型的实施方式中，所述水溶性的铜盐包括硫酸铜、氯化铜、硝酸铜等中的任意一种或几种。在一些典型的实施方式中，所述水溶性的锌盐包括硫酸锌、氯化锌、硝酸锌等中的任意一种或几种。在一些典型的实施方式中，所述溶液A中铜盐和酒石酸钾钠的浓度比为10-30g/L：100g/L。在一些典型的实施方式中，所述溶液B中锌盐和酒石酸钾钠的浓度比为10-35g/L：100g/L。在一些典型的实施方式中，为了实现Cu、Zn共沉积需要的碱性环境，所述氢氧化钠的添加比例为：在A溶液、B溶液形成的混合溶液中的浓度为40-60g/L。在一些典型的实施方式中，纳米CeO2的添加比例为在A溶液、B溶液形成的混合溶液中的浓度为4-12g/L。进一步地，所述纳米CeO2的粒径在20-50nm之间。在一些典型的实施方式中，步骤(1)中采用磁力搅拌的方式进行溶液的混匀，搅拌时间为10-20min。在一些典型的实施方式中，利用电沉积技术将电沉积溶液沉积在金属表面的方法为：将待沉积的金属和黄铜试样置于电沉积溶液中，以待沉积的金属作为阴极，黄铜试样作为阳极，两个电极之间的距离固定在2cm，温度为23-25℃，电压恒定为15.27V，电流密度为2-5A/dm2，电沉积时间为30-60min，沉积过程中电沉积溶液始终保持磁力搅拌状态，反应结束后清洗沉积完成的金属，即得。进一步地，在沉积之前还包括对待沉积的金属和黄铜试样进行清洗、活化的步骤，以去除表面杂质，提高电沉积层与钢基体的结合力。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO

【技术特征摘要】
1.一种仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法，其特征在于，步骤为：
(1)电沉积溶液配置：将水溶性的铜盐溶液、锌盐溶液分别与酒石酸钾钠混合，分别得到溶液A、溶液B，备用；然后将溶液A、溶液B混合后再加入氢氧化钠，最后加入纳米CeO2，搅拌均匀，即得；
(2)利用电沉积技术将步骤(1)得到的电沉积溶液沉积在金属表面形成仿生微纳米复合结构Cu-Zn-CeO2层；然后将该金属在室温条件下自然放置达到设定的时间，即可。


2.如权利要求1所述的仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法，其特征在于，所述水溶性的铜盐包括硫酸铜、氯化铜、硝酸铜等中的任意一种或几种；
或者，所述水溶性的锌盐包括硫酸锌、氯化锌、硝酸锌等中的任意一种或几种。


3.如权利要求1所述的仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法，其特征在于，所述溶液A中铜盐和酒石酸钾钠的浓度比为10-30g/L：100g/L；
或者；所述溶液B中锌盐和酒石酸钾钠的浓度比为10-35g/L：100g/L。


4.如权利要求1所述的仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钠的添加比例为在A溶液、B溶液形成的混合溶液中的浓度为40-60g/L。


5.如权利要求1所述的仿生免修饰超疏水Cu-Zn-CeO2层的制备方法，其特征在于，纳米CeO2的添加比例为在A溶液、B溶液形成的混合溶液中的浓度为4-12g/L；优选地，所述纳米CeO2的粒径在20-50...

【专利技术属性】
技术研发人员：李好，彭玉洁，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37