直接生长法制备疏水不锈钢网

马晓梦，陈 雪，余 俊，曾孟阳，陈 钱，伍鸿哲，袁 军

(武汉工程大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430205)

1 引言

耐蚀性超疏水表面由于其耐盐性和疏水性在海洋运输、热交换器、管道、电厂、平台结构等工业上都有着很大的应用前景[1-4]。这类材料表面由于其疏水性、抗粘附和自清洁等特性而备受关注[5-7]。受荷叶研究[8]的启发，我们发现可以通过自然构筑仿生微纳米结构粗糙表面，并在其表面涂覆低表面能材料来得到疏水表面[9]。表面粗糙度和疏水性之间的主要联系是由Cassie、 Baxter[10]、Wenze[11]提出的。在构建微纳米结构疏水表面上，诸多文献中已经提出了许多种设计方法，如模板法[12]、刻蚀[13]、逐层沉积[14]、胶体组件[15]、电沉积[16]、溶胶-凝胶方法[17]等。氧化铈是一种价廉易得的稀土材料，与传统的基于铬的抗腐蚀涂层相比较，氧化铈因为其电子结构而带有固有的疏水性[18]，目前已经广泛应用于抛光材料、汽车尾气催化剂、气体传感器、电解质材料等领域[19-12]。通过查阅文献可以了解到，在室温下用一个简单的浸渍工艺在镁合金上涂覆有氧化铈膜来使镁合金表面达到超疏水的效果，全过程可以在几十分钟内完成[22]。然而，它们并没有解释氧化铈膜在镁合金上的生长机理，且在不同的沉积参数下微观结构和润湿性能的变化方面，以及在不同的底物上直接生长氧化铈等均少有研究。在此，我们采用了一种简便的无模板水热法，确定了最佳反应参数，可用于直接生长在不同的基体上，包括铝合金、不锈钢、钛和硅。这种低温度的水热方法可以很容易地扩展到大规模生产。本次试验采用了不锈钢网基材，为确保氧化铈晶体生长在基材上复合膜层的耐久性，在水热法前增加了溶胶凝胶法预处理。最终可以得到静态接触角达到149°的疏水性不锈钢网膜。

2 实验材料和方法

2.1 试剂及仪器

硝酸铈，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸，分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；尿素，分析纯，西陇科学股份有限公司；不锈钢网，100目，无锡市三磊筛网制品有限公司。

接触角测量仪，Data physics OCA20，上海富格贸易有限公司；数控超声波清洗器，KQ-100E，昆山市超声仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，上海-恒科学仪器有限公司；SZCL-2A数显智能控温搅拌器；JSM-5510LV扫描电子显微镜；SRJX-3-9型马弗炉。

2.2 实验方法

在本实验中，先对基材的表面进行预处理来排除其他物质对实验的影响，保证实验的准确性。将基材a，b两片剪裁成长宽约5cm规格，均置于丙酮、乙醇溶液中超声清洗15min，烘干备用。采用溶胶凝胶法在基材a上预先涂覆一层氧化铈凝胶做胶粘剂：将0.2mol/L柠檬酸的醇溶液缓慢加入到0.1mol/L硝酸铈醇溶液中，加热至65℃搅拌21h，后老化一段时间，置于80℃烘箱中烘干2h得到硝酸铈溶胶。将溶胶均匀涂覆在基材上，60℃烘干30min，再重复上诉步骤4次得到涂覆好的基材a。最后使用水热法在基材a和基材b上生长氧化铈晶体。将0.87g六水合硝酸铈加入40mL去离子水中搅拌溶解，缓慢加入0.05g十六烷基三甲基溴化铵，微加热搅拌30min，再加入1.2g尿素于室温下搅拌至完全溶解。将最后得到的溶液倒入在反应釜中，并使基材平置于釜底，在95℃下电热鼓风干燥机下水热晶化24h。水热晶化完成后取出基材用去离子水彻底清洗表面多余粉末，室温干燥后在450℃下焙烧3h。最后得到疏水性不锈钢网，见图1。

图1 水热法直接生长氧化铈示意图

2.3 油水分离性能测试

取一定质量M g的油，用油红o染成红色(便于区分观察)。将染好色的油与m g的水混合成油水混合物备用。将做好的不锈钢网固定在如图装置的漏斗与锥形瓶中间。将配好的油水混合物倒入漏斗中，由于不锈钢网的疏水亲油性，红色的油将会透过不锈钢网流入下方锥形瓶中，而水将会截留在上方漏斗中。记下分离出的水的质量m0g。我们定义油水分离效率方程为：

图2 不锈钢网膜油水分离试验

3 结果与讨论

3.1 氧化铈微观形貌

图3 使用溶胶凝胶法预处理基材a

图4 未使用溶胶凝胶法预处理基材b

图5 未处理原始不锈钢基材

由扫描电镜图3、图4、图5可以看出，氧化铈晶体均匀的生长在基材a和基材b表面。而基材b表面的氧化铈晶体成柱状生长，且分布不均，并没有将不锈钢网表面完全覆盖。经过溶胶凝胶法预处理过的基材a表面则均匀且致密的生长了一层氧化铈晶体，将不锈钢网表面完全包覆住。

3.2 不锈钢网的疏水性

图6 基材b静态接触角

图7 基材a静态接触角

由接触角测试图6、7可以看出，未处理过的不锈钢网膜的静态接触角为110°[23]，而未经过溶胶凝胶预处理的基材b的静态接触角为130°，而经过溶胶凝胶预处理的基材a的静态接触角为149°。可以说明在不锈钢网膜表面直接生长氧化铈晶体可以提高不锈钢网的疏水性，而考虑到后期使用的耐久性，我们在水热法之前使用的溶胶凝胶预处理使不锈钢网膜的疏水性大大提高，且有利于氧化铈晶体在基材上的稳固性，增强了网膜后期使用的耐久性。

4 结论

本论文采用了一种简便、无模板的水热法，在不锈钢网上均匀的直接生长氧化铈，生长的氧化铈主要由结晶的CeO2组成。在没有疏水修饰剂的情况下，长有氧化铈晶体的不锈钢网膜显示出了疏水性(接触角约为149°)。且经过溶胶凝胶法预处理过的不锈钢网的疏水性比未经处理的不锈钢网的疏水性要强。此外，油水分离实验可以看出，不锈钢网膜在油水分离应用上有很大前景。这种简单的直接生长氧化铈的方法，可以广泛应用于各类工程应用中，且对于水路运输不锈钢材质的物料防腐也有着很大的作用。