金属表面疏水性质测试及疏水化方法研究

技术应用与研究

2018·06

108

Chenmical Intermediate

当代化工研究

金属表面疏水性质测试及疏水化方法研究

＊赵海程

（北京市第三十五中学 北京 100035）

摘要：近年来，超疏水材料在自清洁、金属防腐、防覆冰、油水分离和管道运输减阻等领域具有巨大的应用价值。本文选取了最常用的

两种金属铜（Cu）和铁（Fe），利用几种超疏水改性方案的结合并比对，研究得出一种在金属基底上最为有效的超疏水改性方案。关键词：超疏水；疏水；金属；电镀；表面修饰

中图分类号：T 文献标识码：A

Study on Hydrophobic Property Test and Hydrophobic Method of Metal Surface

Zhao Haicheng

（No. 35 Middle School of Beijing City, Beijing, 100035）

Abstract ：In this paper, the two most commonly used metals copper (Cu) and iron (Fe) are selected, and by combining and comparing several

superhydrophobic modification schemes, a superhydrophobic modification scheme which is the most effective on metal substrates is obtained.

Key words ：superhydrophobic ；hydrophobic ；metals ；electroplating ；surface modification

1.引言

金属易发生化学腐蚀和电化学腐蚀的性质使金属材料应用时的腐蚀情况尤为严重。超疏水改性就是防治金属腐蚀的方法之一。本文使用盐酸腐蚀、氨水浸泡、硝酸银溶液浸泡来提升表面粗糙度，用1H,1H,2H,2H－全氟癸基三乙氧基硅烷浸润改性来提升其表面自由能，以简单的过程制得了疏水性优异的铁片和铜片表面。2.实验部分

(1)超疏水金属片的制备

①准备工作。采用磨砂纸对金属片表面进行打磨，浸入无水乙醇中，在恒定功率下利用超声波清洗金属片表面残留的油脂和粉尘，超声时间为10min。用蒸馏水清洗干净后立即吹干。

②铁基超疏水表面。将铁片浸入8mol/L的盐酸（HCl）溶液中，对其刻蚀40min后取出并用蒸馏水清洗表面，用吹风机吹干。利用电镀的方法，将电压调为4V，两电极材料距离约为0.5cm时铁表面可以快速析出黑色物质（即银单质）， 来回移动使镀层均匀分布于表面，约3min可以完成电镀。

③铜基超疏水表面。将铜片浸入浓氨水（NH 3·H 2O）中反应24h后取出清洗吹干，铜片表面可以被腐蚀。此外，可以将铜片浸入0.01mol/L的硝酸银（AgNO 3）中，反应10min后取出清洗表面，用吹风机吹干，表面可形成一层黑色的银镀层。

④表面修饰。将两种基底的金属片分为两份，取1H,1H, 2H,2H－全氟癸基三乙氧基硅烷（C 16F 17H 19O 3Si/以下简称全氟硅烷）0.5g、乙醇62.7ml、去离子水19.3ml配置成溶液，将一份金属片放入其中浸泡2h取出后放入烘箱以60℃烘干；另一份在0.03mol/L的硬脂酸乙醇溶液中以40℃浸泡，10min后取出，用蒸馏水清洗表面，放在80℃烘箱中烘干。

(2)样品性质测定方法与测定

①金属片表面接触角测量方法

采用接触角测量仪对不同疏水化方法下处理得到的疏水化改性前、后的两种金属片表面的疏水性进行表征测量。进样器每次滴加的水滴体积为2微升。

②金属片表面的滚动角测量

用盐酸和全氟硅烷改性的方法制得的铁片，用硝酸银和全氟硅烷或硬脂酸改性的表面拥有极好的疏水性能，即使将其放在水平桌面上，水滴在其表面仍因为微小的倾角而滚落。需在使用水准仪完全调至水平的平面上放置，水滴才会平稳停留在样品表面。经多次试验，可以确定表面滚动角远小于1°。由此证明水滴在上述表面以Cassie模型存在，液体与固体之间有空气截留。

3.结果与讨论

(1)铁基表面疏水化处理结果

对铁片表面进行疏水化处理得结果如表1所示。在对铁片使用盐酸腐蚀后，因其表面具有粗糙结构，与水接触时显超亲水性。但使用全氟硅烷和硬脂酸改性后可以使其具有很优秀的疏水性。

疏水化方法处理后接触角未处理95.73°8mol/L盐酸 5.84°8mol/L盐酸+全氟硅烷159.38°8mol/L盐酸+硬脂酸

148.88°电镀硝酸银96.70°电镀硝酸银+全氟硅烷140.78°电镀硝酸银+硬脂酸

97.59°

表1 铁片处理前后接触角数据

(2)铜基表面疏水化处理结果

铜基表面疏水化处理后，得出如下结果：在使用硝酸银浸泡后，使用全氟硅烷改性明显优于硬脂酸改性；在使用氨水腐蚀后，两种改性方法效果相似。对铜片表面进行疏水化处理得结果。铜片处理前后接触角数据如下：铜片未处理接触角是92.71°，经氨水、氨水+全氟硅烷、硝酸银、硝酸银+全氟硅烷、硝酸银+硬脂酸处理后，铜片接触角分别为29.5°、137.76°、136.45°、157.70°、148.88°。

(3)使用全氟硅烷改性的优势分析

在对样品进一步用全氟硅烷处理后发现表面显示了明显

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当代化工研究

S1-27-454块兴隆台油层单砂岩分布特征刻画

＊邱树立

（中油辽河油田勘探开发研究院 辽宁 124010）

摘要：研究表明，兴I组砂岩只在工区东部发育，发育范围小；兴Ⅱ组砂岩发育范围大，全区发育，叠加厚度大；兴Ⅲ组砂岩大面积连片

分布，大于15m的区域在井区西部，东南部局部相变为泥岩；兴Ⅳ组砂体以中部最厚，向东西两侧逐渐减薄。关键词：S1-27-454块；兴隆台油层；砂体展布；单砂体刻画

中图分类号：P 文献标识码：A

Characterization of Single Sandstone Distribution in Xinglongtai Oil Layer of Block S1-27-454

Qiu Shuli

(Exploration and Development Institute in Liaohe Oilfield Branch of PetroChina, Liaoning, 124010)

Abstract ：The study shows that the sandstone of Xing I formation only develops in the east of the work area, and its development range is

small. And the sandstone of Xing Ⅱ formation has a large development range, developed in the whole area and has a large superimposed thickness. The sandstone of Xing Ⅲ formation is distributed in large contiguous areas, the area larger than 15m is in the west of the well area, and the local facies in the southeast turn into mudstone. The sand body of Xing Ⅳ formation is the thickest in the middle, and it gradually thins towards the east and west sides.

Key words ：block S1-27-454；xinglongtai oil layer ；sand body spreading ；single sandstone characterization

S1-27-454块构造上位于辽河盆地西部凹陷西斜坡中段，为一向东南倾斜的单斜构造，本次研究目的层为兴隆台油层。

储层砂体分布主要受古构造、古地形、古地理条件及沉积环境的控制，由此而引起的分流河道摆动，水流强弱等因素同时也影响储层砂体的分布。

1.砂岩平面展布特征

从各小层及砂岩组的砂体厚度分布图上可以发现，各层组的砂体发育特征不同。下面分别叙述兴隆台油层各砂岩组及小层的储层砂体平面发育特征：

兴Ⅰ组砂岩分布规律是：受砂体尖灭影响，砂体只在工区东部发育，发育范围小，平面上连片分布，砂岩厚度较厚，砂岩一般厚度10～20m；

兴Ⅱ组砂岩分布规律是：全区发育，发育范围大，叠加厚度大，有由东南向西北逐渐减薄的趋势，砂体叠加厚度一般大于40m；

Ⅱ1组砂岩分布规律是：砂岩平面分布总体上看，有东厚西薄，南厚北薄的规律，由东向西逐渐减薄的趋势明显，在东部以厚度大于25m的砂体为主，大面积连片分布，在西北局部砂体不发育；

的超疏水性，接触角大幅度增大，基本达到150º及以上。这种全氟硅烷与R基相对的是三个甲氧基，在水中可以与水反应变成羟基，并脱下三个甲醇。将氟硅烷应用于金属表面进行疏水化处理的报道相对较少。本实验进一步证明了氟硅烷同样能够应用在金属表面的疏水化处理中。

为了进一步研究氟硅烷在金属表面的疏水机理，分析是否是氟硅烷化合物中的长链烷烃的作用，将硬脂酸作为对比材料，对经过了腐蚀或硝酸银置换处理的金属片表面进行了疏水化处理，结果发现，硬脂酸同样能够提高铁基表面的疏水性，如铁基表面的接触角能够提高到148.88º。因此分析原因应该是硬脂酸中的长链烷烃附着在铁基表面，从而提高了样品表面的疏水性能。

在实验中，无论是铁基表面还是铜基表面，使用全氟硅烷改性都较硬脂酸改性体现出更加优异的超疏水性能。因为全氟硅烷的长链疏水基团全部被氟原子覆盖，而氟原子具有非常强的极性，与其他物质接触时极易得电子。故其它基团很难与之发生范德华力作用，导致氟原子化合物具有极低的表面能，所以使用全氟硅烷改性效果比使用硬脂酸效果更佳。

4.结论

铁基和铜基表面进行了不同的疏水化处理，结果发现使用全氟癸基三乙氧基硅烷处理后的金属表面疏水性极强，优于使用硬脂酸改性的样品。铁基表面，最好的超疏水改性方案为使用盐酸浸泡改性加上全氟硅烷浸泡改性。铜基表面，使硝酸银改性加上全氟硅烷改性制得的铜片接触角可达157.70°。但由于使用硝酸银成本过高，故不宜大量使用在铜基表面。当使用氨水改性时，因为氨水不能使铜表面形成微米级粗糙结构，所以疏水效果不如使用硝酸银改性。

•【参考文献】

[1]李坤泉.超疏水表面的构造和有机/无机杂化超疏水涂层的制备与性能研究[D].华南理工大学,2015.

[2]李青柳,刘铭,马栋,王波.有机氟硅烷对玻璃表面的浸润改性[J].中国表面工程,2014,27(03):95-100.

•【作者简介】

赵海程（2001-），男，北京市第三十五中学；研究方向：无。

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