申请日2014.09.26
公开(公告)日2014.12.24
IPC分类号C23C22/73
摘要
本发明公开了一种金属及类金属的氟氧化亲水处理方法，包括如下步骤：(1)将金属或类金属材料表面打磨干净，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，除去污染物，烘干;(2)将材料在100℃-1000℃的空气气氛中煅烧，使材料表面形成一层氧化膜;(3)在10-50℃恒温条件及较低的氟离子浓度下，利用电迁移或自由扩散的方式，形成带有-F末端基团的氟氧化物层;(4)所得材料表层氟含量测定以及亲水性能测定。本发明的试剂及材料廉价且简单易得，操作方法也非常简单，操作过程中变量容易控制，氟氧化处理后的产品亲水性能上佳，稳定性较好。通过在金属、类金属及其氧化物的亲水界面构筑，在材料自清洁，防生物污染，增强池沸腾传热等方面具有广泛的应用。
权利要求书
1.一种金属及类金属的氟氧化亲水处理方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)材料的前处理：将金属或类金属材料表面打磨干净，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，除去玻璃表面有机以及无机类污染物，烘干;
(2)材料界面的氧化处理：将材料在100℃-1000℃的空气气氛中煅烧，使材料表面形成一层氧化膜;
(3)材料界面的氟化处理：在10-50℃恒温条件及较低的氟离子浓度下，利用电迁移或自由扩散的方式，使氟离子达到材料界面并与氧化物发生反应，形成带有-F末端基团的稳定的氟氧化物层;
(4)所得材料表层氟含量测定以及亲水性能测定：利用EDS对材料表层的氟含量进行测定，利用高速摄影仪对水滴在界面上的浸润效果进行表征。
2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于步骤(1)中采用砂纸进行打磨，并用化学抛光布进行抛光。
3.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于步骤(1)中超声清洗的频率为50-100KHZ，烘箱温度为10-100℃。
4.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于步骤(2)中煅烧的时间为2-10小时。
5.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于步骤(3)中温度恒定是通过恒温水浴槽来实现，反应容器置于水浴槽中。
6.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于步骤(3)中所述较低的氟离子浓度是指20%质量以下。
7.如权利要求6所述的处理方法，其特征在于步骤(3)中所述较低的氟离子浓度是指10%质量以下。
8.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于所述金属为Ti、Al、Cu、Pb、Fe或镧系金属。
9.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于所述类金属为Si、Ge、As或Sb。
说明书
一种金属及类金属的氟氧化亲水处理方法
技术领域
本发明涉及一种金属及类金属的氟氧化亲水处理方法。
背景技术
亲水界面材料的研究成果,在材料自清洁,增强沸腾换热效率,防生物污染以及生物医药领域有着十分重要的意义。亲水界面的构筑，主要从表面粗糙度以及表面化学成分两方面着手。就控制材料表面微观结构而言，2008年，王慧等通过阳极氧化并辅以液相乘积，制备出了超亲水的铝合金界面(CN101665972);2012年，王波等利用化学腐蚀的方法，在铝表面刻蚀出微观结构，从而得到亲水性能上佳的界面(CN102825260A);2013年，蒋毅坚等在铝表面沉积一层树枝状微结构，从而得到超亲水界面(CN103668140A)。另一方面，秦大可等通过利用多种化学物质对玻璃表面进行改性，得到防雾性能显著地超亲水玻璃界面(CN103482883A)。亲水界面的研究以及相关工艺技术已经日臻成熟。
氟是一种电负性极强的化学元素，能与大多数物质发生反应，这在一定程度上决定了氟处理技术的普适性;同时，由于这种极强的电负性的存在，将大大提高材料界面的极性，从而可以同水等具有缺电子H的物质形成较强的氢键作用，大大提高界面的亲水性能。但是，由于氟元素具有极强的电负性，所以大多数氟化物都是离子型化合物，极易溶于水，这样就大大限制了氟化技术的应用，如何形成含有稳定-F末端基团的含氟层成为氟化亲水技术的核心，这是本专利要解决的主要问题，也是主要创新点所在。
含氟的化学物质用于亲水界面的改性早已有之。2007年，Howarter等基于玻璃表面的羟基基团，通过中间连接试剂，将含氟的表面活性剂键接到玻璃表面，从而制备出具有较好的亲水防雾性能的玻璃。但是，该研究所用到的氟试剂为疏水的全氟烷烃，亲水性能的实现主要依托于中间连接试剂在外界刺激下的顺反异构。本工艺中，与氟元素直接相连的是电负性弱的金属或类金属元素(Ti、Al、Cu、Si等)，从而可以使电子云较大幅度偏向于氟原子，使其能与含有缺电子H的物质(如水、醇等)形成较强的氢键作用，大大增强界面的浸润性，同时为了稳定带有-F末端基团的氟化物，我们通过氟氧化的方式，形成-O-M-F的结构(氟氧化物的稳定性Albu在2008年已报导)，这一结构中，由于O元素也具有较强的电负性，所以可以避免电子云过度偏向于氟原子而形成离子型化合物，同时又可以将-F末端集团稳定在体系庞大的氧化物网络中，增强亲水界面的稳定性。形成机理如图1所示。
发明内容
本发明的目的在于通过氟氧化技术，将氟基团键接在金属及类金属表面，从而大大提高材料界面的亲水程度，达到超亲水效果，为后续的自清洁等应用做准备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种金属及类金属的氟氧化亲水处理方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)材料的前处理：将金属或类金属材料表面打磨干净，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，除去玻璃表面有机以及无机类污染物，烘干;
(2)材料界面的氧化处理：将材料在100℃-1000℃的空气气氛中煅烧，使材料表面形成一层氧化膜;
(3)材料界面的氟化处理：在10-50℃恒温条件及较低的氟离子浓度下，利用电迁移或自由扩散的方式，使氟离子达到材料界面并与氧化物发生反应，形成带有-F末端基团的稳定的氟氧化物层;
(4)所得材料表层氟含量测定以及亲水性能测定：利用EDS对材料表层的氟含量进行测定，利用高速摄影仪对水滴在界面上的浸润效果进行表征。
在上述处理方法中，步骤(1)中采用砂纸进行打磨，并用化学抛光布进行抛光。
在上述处理方法中，步骤(1)中超声清洗的频率为50-100KHZ，烘箱温度为10-100℃。
在上述处理方法中，步骤(2)中煅烧的时间2-10小时，能确保形成表层氧化层而不至于破坏基体。
在上述处理方法中，步骤(3)中温度恒定是通过恒温水浴槽来实现，反应容器置于水浴槽中。
在上述处理方法中，步骤(3)中所述较低的氟离子浓度是指20%质量以下，最好是10%质量以下，能确保部分氟化而形成稳定的氟氧化物。
在上述处理方法中，所述金属为Ti、Al、Cu、Pb、Fe等常见金属以及镧系金属等，其本质在于这些元素本身的电负性小，可以和电负性大的氟元素形成具有很强极性的化学键，从而形成亲水界面;同时由于氟元素几乎可以与所有物质反应，所以该技术对可以与氟、氧进行反应的所有金属都适用。
在上述处理方法中，所述类金属为Si、Ge、As、Sb等，主要也归因于这些元素本身电负性较小，又能与氟、氧元素反应的特点。非金属元素不适用于该氟氧化处理主要是因为其电负性较大，与氟元素形成的化学键极性不够，无法形成超亲水表面。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的金属及类金属的氟氧化亲水处理方法，试剂及材料廉价且简单易得，操作方法也非常简单，操作过程中变量容易控制，氟氧化处理后的产品亲水性能上佳，稳定性较好。本发明通过在金属、类金属及其氧化物的亲水界面构筑，在材料自清洁，防生物污染，增强池沸腾传热等方面具有广泛的应用。