CN100453613C - 固体材料超疏水性表面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
固体材料超疏水性表面的制备方法，涉及一种超疏水固体表面的制备方法，特别是涉及一种由制作粗糙表面来制备超疏水表面的方法。提供一种利用金相砂纸为模板，通过热压、浇铸或聚合等方法制备固体材料超疏水表面的方法。其步骤为以金相砂纸的粗糙面为模板，在模板上制备合成固体材料；除去砂纸后，得粗糙的超疏水固体表面。突出优点在于设备简单、成本低、操作简便，容易制备大面积的疏水表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种超疏水固体表面的制备方法，特别是涉及一种由制作粗糙表面来制备超疏水表面的方法。
背景技术
表面润湿现象是固体表面的重要特征之一。润湿性可以用表面上水的接触角来衡量，通常将接触角小于90度的固体表面称为亲水表面，大于90度的表面称为疏水表面，特别的，接触角超过150度的称为超疏水界面。自然界中超疏水表面现象比较普遍，典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子的表面，蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等。在生产和生活中，具有超疏水表面的材料也具有广泛的应用前景，如具有自洁功能的超疏水建筑材料和外墙涂料，卫星天线的保洁表面，可抑制微生物对船体黏附和降低阻力的船体涂料，抑制凝血和血液污染的生物医用材料等。
众所周知，固体表面的润湿性由其化学组成和微观几何结构共同决定。在光滑表面上仅仅采用化学方法调节自由表面能，通常仅能使接触角增加到120度，不能再高。要达到更大的接触角，如超疏水，则必须使固体表面具有微细的粗糙表面。目前国内外主要通过以下方法加工制备粗糙的固体表面：(1)在平滑或粗糙的固体表面沉积、固化、组装或喷涂低表面能的物质，如H.Yildirim Erbril等(H.Yildirim Erbril，A.Levent Demirel，et al.Transformation of a Simple Plastic into a Superhydrophobic Surface.Science[J]，2003，299(28)：1377-1380)报道的将聚丙烯溶于二甲苯后加入不良溶剂如异丙醇、环己烷、醚醚酮等，涂敷在固体表面，干燥后可以得到多孔的超疏水表面。(2)使用激光刻蚀、等离子体刻蚀和化学刻蚀等表面微加工技术对固体表面进行微加工，得到粗糙的表面。如江雷等(Shuhong Li，Huanjun Li，et al.Fabrication of Superhydrophobic Surfacesby Self-Assembly and Their Water-Adhesion Properties.J.Phys.Chem.B 2005，109：4048-4052)报道的利用激光加工粗糙硅表面，然后组装上氟硅烷得到超疏水表面。(3)使用模板挤出法，如江雷等(Lin Feng，Shuhong Li，et al.Super-Hydrophobic Surface of AlignedPolyacrylonitrile Nanofibers Angew Chem Int Ed.2003，42(7)：800-802)以及中国专利CN1397668上报道的利用贯穿的氧化铝微孔模板挤出得到了聚合物(PAN、PVA)。(4)模板热压法，如江雷等(Chaowei Guo，Lin Feng，et al.Large-Area Fabrication of aNanostructure-Induced Hydrophobic Surface from a Hydrophilic Polymer.ChemPhysChem，2004，5750-5753)报道的利用表面具有微孔氧化铝层的铝棒滚动热压制备大面积的高分子疏水材料。
以上所列的方法普遍工艺复杂，成本较高，江雷等在申请号为CN 200410004721的中国专利上报道了利用砂纸打磨聚合物材料表面，使材料表面的浸润性发生改变。该方法简单易行，但对浸润性的改变程度和均匀性难以控制，尤其是对于较大的面积的固体材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的固体材料超疏水性表面加工上存在的问题，提供一种利用金相砂纸为模板，通过热压、浇铸或聚合等方法制备固体材料超疏水表面的方法。
本发明的步骤为：
1)以金相砂纸的粗糙面为模板，在模板上制备合成固体材料；
2)除去砂纸后，得粗糙的超疏水固体表面。
所述的金相砂纸选自3号，4号，5号或6号的金相砂纸。
所述的固体材料选自蜡，聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯酸甲酯，聚乙烯，聚丙烯、聚丙烯腈或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
所述的蜡选自石蜡，微晶蜡，油蜡，棕蜡，蜂蜡或聚乙烯蜡。
所述的在模板上制备合成固体材料的方法为：
将固体材料加热至软化点温度以上以砂纸粗糙面为模热压成型；或
将固体材料加热至熔点温度以上在砂纸粗糙面上模塑成型；或
将固体材料溶解后浇铸在砂纸粗糙面上固化；或
将交联高分子预聚体溶液浇铸在砂纸粗糙面上交联固化。
本发明的突出优点在于设备简单、成本低、操作简便，容易制备大面积的疏水表面。
附图说明
图1为实施例3中使用的6#砂纸的表面扫描电镜图。
图2为实施例3中聚合的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面扫描电镜图。
图3为实施例3中聚合的聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面的水接触角测量照片。
图4为实施例21中热压后的聚丙烯(PS)表面的水接触角测量照片。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
将二甲基硅氧烷(DMS)溶液及其交联剂(美国Dow Corning公司产品，型号Sylgard184，含单体及交联剂)按10∶1混合均匀，浇注在04#砂纸上，60℃的温度下反应4h，剥离，PDMS表面接触角为152±4°。
实施例2
将二甲基硅氧烷(DMS)溶液及其交联剂按10∶1混合均匀，浇注在05#砂纸上，60℃的温度下反应4h，剥离，PDMS表面接触角为153±4°。
实施例3
将二甲基硅氧烷(DMS)溶液及其交联剂按10∶1混合均匀，浇注在06#砂纸上，60℃的温度下反应4h，剥离，PDMS表面接触角为154±4°。图1给出了使用的6#砂纸的表面扫描电镜图。图2给出了聚合的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面扫描电镜图。图3给出了聚合的聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面的水接触角测量照片。
实施例4
将石蜡于60℃下融化，浇注在04#砂纸上，室温下固化，剥离，石蜡表面接触角为154±5°。
实施例5
将石蜡于60℃下融化，浇注在05#砂纸上，室温下固化，剥离，石蜡表面接触角为153±5°。
实施例6
将石蜡于60℃下融化，浇注在06#砂纸上，室温下固化，剥离，石蜡表面接触角为154±3°。
实施例7
将聚乙烯蜡于95℃下融化，浇注在04#砂纸上，室温下固化，剥离，聚乙烯表面接触角为154±4°。
实施例8
将聚乙烯蜡于95℃下融化，浇注在05#砂纸上，室温下固化，剥离，聚乙烯表面接触角为153±2°。
实施例9
将聚乙烯蜡于95℃下融化，浇注在06#砂纸上，室温下固化，剥离，聚乙烯表面接触角为154±2°。
实施例10
将线性低密度聚乙烯于136℃下软化，利用04#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为157±2°。
实施例11
将线性低密度聚乙烯于136℃下软化，利用05#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为159±3°。
实施例12
将线性低密度聚乙烯于136℃下软化，利用06#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为158±3°。
实施例13
将低密度聚乙烯于135℃下软化，利用04#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为152±4°。
实施例14
将低密度聚乙烯于135℃下软化，利用05#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为154±2°。
实施例15
将低密度聚乙烯于135℃下软化，利用06#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为152±2°。
实施例16
将高密度聚乙烯于160℃下软化，利用04#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为157±3°。
实施例17
将高密度聚乙烯于160℃下软化，利用05#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为155±2°。
实施例18
将高密度聚乙烯于160℃下软化，利用06#砂纸热压，剥离，聚乙烯表面接触角为157±4°。
实施例19
将聚丙烯于170℃下软化，利用04#砂纸热压，剥离，聚丙烯表面接触角为158±3°。
实施例20
将聚丙烯于170℃下软化，利用05#砂纸热压，剥离，聚丙烯表面接触角为159±2°。
实施例21
将聚丙烯于170℃下软化，利用06#砂纸热压，剥离，聚丙烯表面接触角为155±3°。图4给出了热压后的聚丙烯(PS)表面的水接触角测量照片。
实施例22
将聚苯乙烯于180℃下软化，利用04#砂纸热压，剥离，聚丙烯表面接触角为156±1°。
实施例23
将聚苯乙烯于180℃下软化，利用05#砂纸热压，剥离，聚丙烯表面接触角为157±3°。
实施例24
将聚苯乙烯于180℃下软化，利用06#砂纸热压，剥离，聚丙烯表面接触角为158±1°。
实施例25-36
将油蜡、棕蜡、微晶蜡和蜂蜡分别加热至熔融，并分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，室温冷却固化，剥离，得到具有超疏水表面的蜡。
实施例37-39
聚氯乙烯溶于四氢呋喃，并分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，室温下使溶剂挥发，剥离，得到超疏水表面；
实施例40-42
将聚碳酸酯溶于氯仿，并分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，室温下使溶剂挥发，剥离，得到超疏水表面；
实施例43-45
将聚四氟乙烯溶液(美国杜邦公司产品)分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，室温下使溶剂挥发，剥离，得到超疏水表面；
实施例46-48
将聚丙烯腈溶于DMF，并分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，室温下使溶剂挥发，剥离，得到超疏水表面；
实施例49-51
将聚甲基丙烯酸甲酯溶于氯仿，并分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，室温下使溶剂挥发，剥离，得到超疏水表面；
实施例52-54
将聚丙烯酸甲酯溶于氯仿，并分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，室温下使溶剂挥发，剥离，得到超疏水表面；
实施例55-57
将反应程度为10％左右的甲基丙烯酸甲酯反应液(预聚体溶液)分别浇注在04#、05#和06#砂纸上，60℃下反应3小时，然后90℃下反应4小时，剥离，得到超疏水表面。
Claims (7)
1、固体材料超疏水性表面的制备方法，其特征在于其步骤为：
1)以金相砂纸的粗糙面为模板，在模板上制备合成固体材料，金相砂纸选自3号，4号，5号或6号的金相砂纸；
2)除去砂纸后，得粗糙的超疏水固体表面。
2、如权利要求1所述的固体材料超疏水性表面的制备方法，其特征在于所述的固体材料选自蜡，聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯酸甲酯，聚乙烯，聚丙烯、聚丙烯腈或聚二甲基硅氧烷。
3、如权利要求2所述的固体材料超疏水性表面的制备方法，其特征在于所述的蜡选自石蜡，微晶蜡，油蜡，棕蜡，蜂蜡或聚乙烯蜡。
4、如权利要求1所述的固体材料超疏水性表面的制备方法，其特征在于所述的在模板上制备合成固体材料的方法为将固体材料加热至软化点温度以上以砂纸粗糙面为模热压成型。
5、如权利要求1所述的固体材料超疏水性表面的制备方法，其特征在于所述的在模板上制备合成固体材料的方法为将固体材料加热至熔点温度以上在砂纸粗糙面上模塑成型。
6、如权利要求1所述的固体材料超疏水性表面的制备方法，其特征在于所述的在模板上制备合成固体材料的方法为将固体材料溶解后浇铸在砂纸粗糙面上固化。
7、如权利要求1所述的固体材料超疏水性表面的制备方法，其特征在于所述的在模板上制备合成固体材料的方法为将交联高分子预聚体溶液浇铸在砂纸粗糙面上交联固化。
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