CN101417278B - 一种超疏水表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超疏水表面的制备方法，具体而言，本发明涉及一种采用具有纳米孔隙或纳米修饰表面的微米或亚微米颗粒与低表面能材料复合制备超疏水表面的方法。具体为：采用具有纳米尺寸孔隙或表面经过纳米修饰的微米或亚微米颗粒与低表面能材料复合制备超疏水表面，首先通过目前已经成熟的表面活化技术对颗粒表面进行活化，以去除颗粒表面的钝化膜，然后将低表面能材料、经过表面活化的微米或亚微米颗粒、偶联剂等均匀混合，再根据需要将混合物喷涂或涂刷在需要处理的表面上，最后自然干燥或在适当温度下烘干即获得超疏水表面。本发明可解决了以往技术对特殊形状表面处理困难的问题；工艺过程简单，适合大批量应用，所制作的超疏水表面使用寿命长。

Description

一种超疏水表面的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超疏水表面的制备方法，具体而言，本发明涉及一种采用具有纳米孔隙或纳米修饰表面的微米或亚微米颗粒与低表面能材料复合制备超疏水表面的方法。

背景技术

超疏水膜的基础理论研究始于20世纪50年代。一般将与水接触角大于150°称为超疏水膜。接触角通过液体-固体-气体接合点处水珠曲线终点的轮廓切线与固体表面之间的夹角测定出来。由于超疏水膜独特的表面特性，在国防、日常生活和众多工业领域有着广泛的应用前景，如超疏水技术用在室外天线上，可防止积雪从而保证通信质量；用在船潜艇的外壳上，不但能减少水的阻力，提高航行速度，还能达到防污、防腐的功效；用在石油输送管道内壁、微量注射器针尖上能防止粘附、堵塞，减少损耗；用在纺织品、皮革上，还能制成防水、防污的服装、皮鞋。正是由于有如此广泛的需求，超疏水材料的应用研究才越来越受关注。随着超疏水膜理论日臻成熟，人们认识到超疏水膜不但受材料表面的化学成分和结构控制，还为表面形貌结构所左右。为此，人们发明了许多的新的制备技术，以求获得超疏水膜。

材料表面润湿性能是由固体表面原子及其堆积态所决定，与其内部组成及分子排布无关。理论和实践证明，将低表面能材料，尤其是将含氟材料与表面适当的粗糙化有机结合，是制备超疏水膜的有效途径。在有机材料中最初采用掺杂技术，通过加入硅粉、聚四氟乙烯粉、气相二氧化硅来增加表面粗糙度。随着粗糙度的递增表面疏水性能明显提高。另外，采用溶胶凝胶(sol-gel)法、化学气相沉积法、等离子沉积技术、激光技术等均能获得粗糙的表面。较低表面能的材料与适宜的表面粗糙度相协调是获得超疏水膜的必要条件。

对荷叶表面的研究显示，仅靠增加表面粗糙度是不够的，还必须重视表面的微构造对获取超疏水表面所起的至关重要的作用。研究人员对如何控制微构造进行了探索，采用多种新颖的技术，制备了具有纳米级微构造的表面，从而为获取超疏水性能奠定了基础。运用相分离技术制成了具有盆地状构造、利用氧气等离子刻蚀技术使表面形成了纳米级山峰状构造、利用对四氟乙烯气体极性调制射频等离子沉积技术获得了带状构造等。这些具有特殊构造的表面都具有超疏水性能，与水的接触角都大于150°。

然而，目前的各种技术还难以解决大面积疏水表面及涂层的制备，不少技术还存在需要使用复杂的设备或高温煅烧等问题，使超疏水表面或涂层产品的种类和数量受到了大大限制。另外，无论是先构造特殊的表面微结构然后修饰低表面能材料，还是在低表面能材料表面上构造特殊的表面微结构，形成的超疏水表面都比较容易破坏，且不具有自修复功能。因此，如何提供一种方便、高效的制备技术，生产出具有较长寿命的超疏水表面是当前超疏水材料研究开发需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是针对当前超疏水表面制备技术遇到的问题，提出一种方便、高效的超疏水表面的制备方法，制备出长寿命的超疏水表面。

具体而言为：采用具有纳米尺寸孔隙或表面经过纳米修饰的微米或亚微米颗粒与低表面能材料复合制备超疏水表面，首先通过目前已经成熟的表面活化技术对颗粒表面进行活化，以去除颗粒表面的钝化膜；然后将低表面能材料、经过表面活化的微米或亚微米颗粒和偶联剂均匀混合，再根据需要将混合物喷涂或刷涂在需要处理的表面上，最后自然干燥或在适当温度下烘干即可获得超疏水表面。

本发明所涉及的具有纳米尺寸孔隙的材料可以是活性炭或多孔氧化铝，表面经过纳米修饰的微米或亚微米颗粒可以是进行了纳米颗粒表面修饰的各种颗粒。各种颗粒可以根据实际使用场合的需要选择，其加入量占低表面能材料质量的20～40％。

本发明所涉及的低表面能材料为静态接触角大于100°的材料，常用的低表面能材料有含氟树脂、有机硅及其相应的改性树脂，如硅氧烷。

本发明所涉及的表面活化技术是成熟技术，主要包括烘干技术、超声清洗技术。

为了提高低表面能材料与纳米尺寸孔隙或表面经过纳米修饰微米或亚微米颗粒之间的界面结合力，根据需要添加偶联剂，如硅烷，其加入量占低表面能材料质量的3～6％。

本发明提出的制备技术的主要优点有：

1)技术适应性广，可以适合对不同形状表面进行处理，解决了以往技术对特殊形状表面处理困难的问题；

2)工艺过程简单，只需要把天然或经过表面修饰处理的颗粒添加到超疏水材料中就可以达到制作超疏水表面的目的；

3)适合大批量应用，由于本发明所提到的微米级或亚微米级颗粒采用目前已有的成熟技术可以批量生产，因此该技术的应用可以实现批量化；

4)所制作的超疏水表面使用寿命长，在表面发生磨损的情况下，新暴露出的亚表面层还具有相同的结构和性能特征，可以保证超疏水表面长期使用不丧失功能。

总之，通过上述制备技术，可以成功实现超疏水表面的批量生产。

具体实施方式

根据本发明所述技术方案选取具体实施例进行说明如下：

实施例1

活性炭颗粒的平均粒径10μm，孔隙平均尺寸为20nm，孔隙率为40％。采用高温干燥方法活化，300℃干燥2小时。然后采用50克有机硅、20克活性炭颗粒与3克偶联剂，采用机械搅拌方法混合至均匀。采用刷涂方法在铝板表面形成涂层，在干燥空气中放置5小时。所获得涂层的厚度为50μm，用接触角测定仪OCA20测量静态接触角，为163°。

实施例2

选用市售活性氧化铝，平均粒径8μm，孔隙平均尺寸为15nm，孔隙率为36％。在丙酮中超声清洗5分钟，干燥后待用。称取50克四氟乙烯、15克活性氧化铝、2.5克偶联剂，采用机械搅拌方法混合至均匀。采用喷枪喷涂在铝板上，涂层采用干燥的热空气烘干，时间为10分钟。获得的涂层厚度为30μm，接触角为168°。

实施例3

选用市售凹凸棒土，采用5mol/L的盐酸水溶液为活化修饰剂进行表面修饰。凹凸棒土与盐酸溶液的比例为1∶20，均匀混合，超声搅拌处理30min后，经沉淀、过滤后干燥待用。表面修饰后的凹凸棒土颗粒平均粒径0.4μm。称取50克四氟乙烯、10克经表面修饰后的凹凸棒土、1.5克偶联剂，采用机械搅拌方法混合至均匀。采用刷涂方法在铝板表面形成涂层，在干燥空气中放置6小时。获得的涂层厚度20μm，接触角为156°。

Claims (3)

1.一种超疏水表面的制备方法，其特征在于：首先通过目前已经成熟的表面活化技术对微米或亚微米颗粒的表面进行活化，以去除颗粒表面的钝化膜，所述微米或亚微米颗粒指具有纳米尺寸孔隙的活性炭、具有纳米尺寸孔隙的多孔氧化铝或表面经过纳米修饰的微米或亚微米凹凸棒土；然后将低表面能材料含氟树脂或有机硅、经过表面活化的微米或亚微米颗粒和偶联剂均匀混合，再根据需要将混合物喷涂或刷涂在需要处理的表面上，最后自然干燥或在适当温度下烘干即可获得超疏水表面；所述微米或亚微米颗粒的加入量占低表面能材料质量的20～40％，所述偶联剂的加入量占低表面能材料质量的3～6％。

2.如权利要求1所述的一种超疏水表面的制备方法，其特征在于：所述低表面能材料的静态接触角大于100°。

3.如权利要求1所述的一种超疏水表面的制备方法，其特征在于：表面活化技术为烘干技术或超声清洗技术。