制备金属铜基底超疏水性表面试验研究

宋明玉，李继军，吴耀德，陈海燕 (长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州 434023)

制备金属铜基底超疏水性表面试验研究

宋明玉，李继军，吴耀德，陈海燕 (长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州 434023)

不应用任何膜板、表面活性剂或添加剂，通过简洁、易控、廉价和节约能源的液相制备方法，获得了金属铜基底表面的超疏水性结构，并应用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和接触角测试仪对铜表面及其生成物进行了物质结构、表面形貌和疏水性能表征。研究结果表明，铜基底上生成的氧化铜微米-纳米结构的表面具有超疏水性。

超疏水性; 微米-纳米结构；铜基底；接触角

固体表面与水的接触角大于150°的超疏水表面的制备和研究，现已成为仿生纳米材料技术及其应用方面的热点之一。这种表面的典型实例是自然界的荷叶表面，其疏水性主要决定于荷叶表面的微米-纳米的阶层微观结构[1]。采用仿生的方法在金属表面研究制备类荷叶表面的微细结构，使金属表面具有超疏水性，打破了传统上只有利用疏水性材料才能制得疏水性表面的局限性，大大扩大了材料的应用范围。对解决机械、石油、化工、轻工、农技、医疗以及日常生活用品等行业的防腐、防老化、防粘附、微流体及无损失液体的传输等具有十分广阔的应用前景[1]。

氧化铜在许多领域有着广泛的应用，如作为场发射材料、光催化剂、气体传感器、光开关材料和太阳电池材料等。在许多领域如电子器件、化学或生物传感器、能量存储和转换等[2]则希望氧化铜具有一定取向的纳米结构。其常用的制备方法有刻蚀法、气相沉积法、电化学方法、静电纺纱法[3，4]等，但在铜基底上，低温和无表面活性剂条件下制备氧化铜分等级结构没有相关报道[5]。笔者应用简单易行的液相法，没有应用任何膜板、表面活性剂或添加剂，在低温碱性环境中得到了铜基底上氧化铜分等级的微米-纳米结构。

1 试验部分

1.1仪器及材料

1)仪器 JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜；JEOL JEM-2010型透射电子显微镜； Y-2000型X射线衍射仪； JC2000C1接触角测试仪。

2)材料 0.15mm厚的铜片若干；NaOH、稀盐酸、酒精、石蜡溶液等。

1.2铜基底样品制备

将铜片若干(约30×30×0.15mm)分别用稀盐酸、酒精和去离子水超声清洗风干后浸泡在30mmol/L的NaOH水溶液中，保持60℃浸泡20h。20h后，将样品取出，用清水冲洗数遍后，在60℃烘箱中烘干，得到样品1，即在铜片上生长了一层黑色的均匀薄膜。然后从样品1中取出几片，在5%的石蜡溶液中浸泡数小时后取出，在30℃的环境中干燥，得到样品2，样品2表面覆盖了一层均匀的膜。

2 结果与讨论

用JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜获得样品1表面扫描电子显微镜图像，所用透射电子显微镜为JEOL JEM-2010型。样品X射线衍射实验是在Y-2000型X射线衍射仪上完成。样品表面疏水性能的测量用JC2000C1接触角测试仪进行。

2.1铜基表面的微观结构、形貌表征及分析

样品1的扫描电子显微镜图如图1所示。结果表明，生成物为颗粒状分布在铜片表面，颗粒大小在2～3μm左右，如图1(a)所示。从图中可以看出，这些微米颗粒有时连接在一起，形成了哑铃状结构。颗粒之间的区域为草坪状结构。这些颗粒和草坪状结构放大观察后的结果如图1(b) 和图1(c)所示。从这些结果中看出，颗粒状结构象花一样，由许多片状结构组成。每一片花叶由纳米线组成。在图1(c)中可以看出，颗粒之间的区域为草状结构，整个草状结构为二维的片状物组成，这个结果与花状颗粒组成物相同，片状的大小在500nm左右。因此，在铜基底上就形成了分等级的微米-纳米结构，颗粒的大小在微米量级，组成颗粒和颗粒之间区域的结构为纳米量级的片状物，并且可以大面积的制备。

图1 NaOH碱溶液中铜片上氧化铜花状结构的扫描电子显微镜图

2.2机理分析

Cu+O2→Cu2+

(1)

(2)

图2 表面疏水角

接着，这些生成物在热碱溶液条件下可以形成氧化铜结构。

2.3铜基表面的疏水性能测试

用JC2000C1接触角测试仪测量样品2，铜基底上生成的具有类荷叶花状结构的氧化铜微米-纳米结构表面的疏水角为151°，但是用同样的化学修饰方法处理铜片(铜片在5%的石蜡溶液中浸泡)本身的表面，其疏水角只有93°，如图2所示。由图2可见，制备的样品2的表面具有超疏水性(gt;150°)。

[1]江雷.从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J].科技导报,2005,23(2):4～8.

[2]Callies M,Quéré D.On water reoellency[J]. Soft Matter, 2005,1(1):55～61.

[3]张立德，解思远.纳米材料和纳米结构[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]施利毅. 纳米材料[M].上海：华东理工大学出版社, 2007.

[5]张胜义,宋吉明,朱文晶，等.不同形貌纳米铜的制备及其形成机理研究[J]. 安徽大学学报，2006，30(3)：62～65.

[编辑] 洪云飞

O41；O469

A

1673-1409(2009)01-N029-02

2008-12-06

国家自然科学基金资助项目(60777020)；湖北省自然科学基金项目(2005ABA311)；长江大学科研发展基金项目(2006Z2074)。

宋明玉(1965-)，女，1986年大学毕业，硕士，高级讲师，现主要从事物理学方面的教学与研究工作。