一种自清洁钛材料的制备方法与流程

1.本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种自清洁钛材料的制备方法。


背景技术：

2.1997年首次发现在紫外光的照射下，tio2薄膜具有非常强超亲水性。超亲水材料与水的亲和力远大于与灰尘以及其他脏污的亲和力，所以在下雨或水冲的情况下会优先与水结合，水分子可以渗透到脏污下面，把脏污从超亲水自洁材料表面分离开，从而达到自清洁、抗污染的效果，材料表面与水的接触角是衡量自清洁材料疏水抗污染效果的重要指标。根据wenzel润湿模型，对于一个给定的表面，表面的粗糙因子对表面润湿性具有放大效应：
3.cosθw＝rcosθy4.式中，θw为表观接触角；r为粗糙度因子，其值由表面的实际面积与投影面积的比值决定(r≥1)；θy为杨氏接触角。
5.近年来，超亲水原理的自清洁表面涂层在现实中的应用非常广泛。基于超亲水原理的自清洁，表面由于其独特的表面微观结构和优异的超亲水性能，使水分子的作用下，污染物/灰尘难以在其表面附着，因而在日常生活、建筑及钛工业等领域具有重要应用前景。
6.目前钛金属基抗污染材料的制备主要通过超亲水/超疏水涂料的涂装，从而实现抗污染性能。超亲水/超疏水涂料涂装不仅增加涂装成本，还涉及涂层开裂、脱落及老化等系列问题。此外，超亲水/超疏水涂料涂装还将影响材料的机械性能以及焊接性能，不利于金属材料的后续加工，大大限制其应用范围。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种自清洁钛材料的制备方法，在特定的电解液体系中，通过控制电流密度，阳极氧化时间，降低金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，在钛金属表面制备出均匀，粗糙的纳米孔氧化膜。材料表面粗糙度因子r较大，具有优良的超亲水和抗污染效应。同时本发明获得的钛材料与钛金属具有同等的形成性能和焊接性能。
8.为实现上述发明目的，本发明提供了一种自清洁钛材料的制备方法，包括如下步骤：
9.①
首先依次采用600目、800目和1200目的砂纸对钛样品进行打磨处理；然后将钛样品浸泡在含有1％hf和2％hno3的溶液中进行化学抛光处理5-10s；再将抛光后的钛样品在丙酮中超声清洗20min，蒸馏水多次清洗后，干燥备用。
10.②
阳极氧化前采用高纯氮气通入电解液中，所述高纯氮气的浓度≥99.9％，持续时间为5-10min。通入高纯氮气以除去电解液中的氧气，防止电解液中的氧气与金属钛发生反应，引起氧化膜和纳米孔不均匀。所述电解液为含氟葡萄糖溶液，优选为含0.1-0.5％nh4f的葡萄糖溶液，含氟溶液可以改善表面tio2的几何特征，如粗糙度因子，微孔大小，微孔
深度，对其应用性能有着十分重要的影响。在粘性较大的有机电解液体系中，可以有效地控制tio2纳米孔生长过程，制备的纳米孔更为光滑有序。
11.③
采用恒电流法对步骤
①
干燥后的钛样品进行阳极氧化处理，阳极氧化电流的选择以控制氧化膜厚度为50-200nm为宜，优选0.5-2.0a/dm2，阳极氧化时间为0.5-1min。阳极氧化过程中采用超声波对溶液进行搅拌，超声频率为50-100khz。
12.所述的恒电流阳极氧化方式可以控制氧化膜厚度为50-200nm，避免因恒电位阳极氧化导致的瞬时电流过大，引起氧化膜不均匀。阳极氧化电流过低，氧化膜太薄，表面tio2的超亲水效应不明显，阳极氧化电流过高，表面氧化膜太厚，影响其成型性能和焊接性能。所述的超声搅拌可以很大程度上减少金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，使电流分布更加均匀，防止局部氧化膜的过快生长，氧化膜厚度分布均匀，同时可以改善纳米孔均匀性。
13.④
对步骤
③
阳极氧化结束后的钛样品进行蒸馏水冲洗干燥，在紫外光下照射30min，即得所需自清洁钛材料。
14.一种上文所述方法制成的自清洁钛材料。
15.一种上文所述的自清洁钛材料在日常生活、建筑及钛工业领域的应用。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果：
17.本发明提供的抗污染自清洁钛材料，通过金属自身表面氧化生成厚度为50-200nm氧化膜层，不涉及超亲水/超疏水涂料涂装，因此与钛金属具有相同的形成性能和焊接性能。在阳极氧化过程中，采用超声波对电解液进行搅拌，很大程度上减少金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，使电流分布更加均匀，避免了局部氧化膜生长过快，致使氧化膜厚度分布均匀，同时采用含氟葡萄糖溶液改善表面tio2的几何特征，获得的钛金属材料表面氧化膜纳米孔光滑有序，而且表面粗糙度因子r较高，具有优良的超亲水和自清洁效应。
附图说明
18.图1为实施例1中的微观形貌。
具体实施方式
19.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。试验基材为工业纯钛ta1，化学成分如表1所示。杯突性能测试依据gb/t4156-2007《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突实验》标准。
20.表1工业纯钛ta1的化学成分
21.tifecnhobase0.250.080.030.0150.25
22.实施例1
23.一种自清洁钛材料的制备方法，包括如下步骤：
24.①
将上述试验基材工业纯钛ta1制成规格为100
×
50
×
0.6mm的试样。依次采用600目、800目和1200目的砂纸对试样进行打磨处理。然后将样品浸泡在含有1％hf和2％hno3的溶液中进行化学抛光处理10s；再将抛光后的钛样品在丙酮中超声清洗20min，蒸馏水多次清洗后，冷空气干燥备用。
25.②
阳极氧化前采用浓度≥99.9％的高纯氮气通入电解液中，持续时间为5min；所述电解液为含0.3％nh4f的葡萄糖溶液。
26.③
采用恒电流法对步骤
①
干燥后的钛样品进行阳极氧化处理，试样作为阳极，石墨为阴极，阳极氧化电流为1.0a/dm2，阳极氧化时间为0.5min；阳极氧化过程中采用超声波对溶液进行搅拌，超声频率为50khz。
27.④
对步骤
③
阳极氧化结束后的钛样品进行蒸馏水冲洗干燥，在紫外光下照射30min后，即得所需自清洁钛材料试样。所得试样的微观形貌如图1所示，对试样的表面水接触角和机械性能进行测试，测试结果见表2和表3。试验结果表明自清洁钛材表面具有优良的超亲水和自清洁效应，抗杯突性能与纯钛相当。
28.表2表面接触角
29.材料接触角(
°
)纯钛50.50自清洁钛材4.50
30.表3杯突性能
31.材料杯突值(mm)纯钛7.0抗污染钛7.0
32.实施例2
33.一种自清洁钛材料的制备方法，包括如下步骤：
34.①
将上述试验基材工业纯钛ta1制成规格为100
×
50
×
0.8mm的试样。依次采用600目、800目和1200目的砂纸对试样进行打磨处理。然后将试样浸泡在含有1％hf和2％hno3的溶液中进行化学抛光处理10s；再将抛光后的钛样品在丙酮中超声清洗20min，蒸馏水多次清洗后，冷空气干燥备用。
35.②
阳极氧化前采用浓度≥99.9％的高纯氮气通入电解液中，持续时间为10min；所述电解液为含0.3％nh4f的葡萄糖溶液。
36.③
采用恒电流法对步骤
①
干燥后的钛样品进行阳极氧化处理，试样作为阳极，石墨为阴极，阳极氧化电流为0.5a/dm2，阳极氧化时间为1.0min；阳极氧化过程中采用超声波对溶液进行搅拌，超声频率为100khz。
37.④
对步骤
③
阳极氧化结束后的钛样品进行蒸馏水冲洗干燥，在紫外光下照射30min后，即得所需自清洁钛材料试样。对试样的表面水接触角和机械性能进行测试，测试结果见表4和表5。
38.表4表面接触角
39.材料接触角(
°
)纯钛51.50抗污染钛材2.10
40.表5杯突性能
41.材料杯突值(mm)金属钛7.6
抗污染钛材7.6
42.对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。