CN101791608B - 一种自修复超疏水涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自修复及超疏水涂层制备技术领域，特别涉及一种在任意形状基底上制备具有自修复功能的、超疏水、自清洁涂层的方法。本发明包括基底的处理、溶液的配制、微纳复合结构的组装、涂层的热处理、疏水物质修饰等步骤。本发明方法不受基底大小、形状限制，对平面、曲面和不规则表面的基底均适用。所制备的超疏水涂层接触角大于150°，滚动角小于5°。本发明所用工艺，方法简单，材料易得，成本低廉，一旦涂层表面的低表面能物质被紫外线或酸雨分解甚至被外力刮走，涂层内部的低表面能分子能够自发的渗透出来，对受损的超疏水表面进行修复，为延长了超疏水表面的使用寿命提供了一个新方法。
Description
技术领域
本发明属于自修复和超疏水涂层制备技术领域，具体是将仿生的自修复功能引入到超疏水涂层中，提供一种能够延长超疏水涂层使用寿命的自修复超疏水涂层的制备方法。
背景技术
超疏水现象在自然界非常广泛，很多植物、动物、昆虫都具有超疏水的表面。超疏水表面一般指接触角大于150°、滚动角小于10°的表面。科学研究表明，超疏水性质是由粗糙的表面结构和较低的表面能这两方面因素共同决定的。超疏水表面具有很多独特的表面特性：如自清洁性、防污性、疏水性等，使得其在生活、生产领域都具有巨大的应用前景。
然而在自然环境中，超疏水表面很容易遭到破坏：一方面是由于紫外线或酸雨对超疏水表面的低表面能物质的破坏，另一方面是由于风沙、动物的抓划破坏了超疏水表面的结构。具有超疏水性质的植物或动物可以通过分泌蜡质或油脂来修复受损的超疏水表面。然而对于人造超疏水表面来说，要想恢复被破坏的超疏水性就必须对其重新喷涂地表面能的材料，甚至重新更换超疏水涂层，造成了额外的支出和人力劳动。
将自然界普遍存在的自修复功能引入到超疏水涂层当中，一旦涂层表面的低表面能物质被紫外线或酸雨分解甚至被外力刮走，涂层内部的低表面能分子能够自发的渗透出来，对受损的超疏水表面进行修复，从而延长了超疏水表面的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是将自修复功能引入到超疏水涂层当中，制备一种能够自行修复其表面化学组成的超疏水涂层，从而有效地延长超疏水涂层的使用寿命。一旦涂层表面的低表面能物质被紫外线或酸雨分解甚至被外力刮走，涂层内部的低表面能分子能够自发的渗透出来，对受损的超疏水表面进行修复，为延长了超疏水表面的使用寿命提供了一个新方法。
本发明所述方法的步骤如下：
1.基底的处理：本发明所述方法不受基底的形状、大小和种类的影响，平面、曲面或不规则的硅片、金属(如铁、铝、或铝合金)、玻璃(石英或普通玻璃)或各种塑料均可作为基底使用，基底在使用前分别使用乙醇和水对表面进行超声清洗，以去除基底表面上的油脂和污物等杂质，氮气冲干；
2.涂层溶液的制备：将浓度为0.1～10mg/mL的阴离子聚合物A的去离子水溶液与浓度为0.1～10mg/mL的阳离子聚合物的去离子水溶液以重复单元摩尔比为1∶1～1∶20的比例混合，制备成复合物溶液；再将阴离子聚合物B溶于去离子水中，制备成浓度为1.0～10.0mg/mL的去离子水溶液；
3.微纳复合表面的制备：将步骤1处理过的基底交替浸泡在步骤2所制备的两种溶液中各3～30分钟，每次浸泡后均将基底取出并用去离子水冲洗，从而完成一个周期的层状组装膜的制备；重复本步骤过程，吹干后从而在基底上利用层状组装技术制备得到不同粗糙度的多层微纳复合结构涂层；
4.涂层的热处理：将步骤3得到的制备有多层微纳复合结构涂层的基底放入烘箱中在50℃～400℃温度条件下加热1～3小时，以增加涂层的稳定性；
5.疏水物质的修饰：将步骤4得到的基底在60℃～250℃温度条件下进行化学气相沉积，将含疏水链的分子修饰在涂层表面，从而在基底上得到透明超疏水自清洁涂层。
本发明所述的阴离子聚合物A为聚乙烯苯磺酸钠、磺化聚醚醚酮或磺化聚苯胺；
本发明所述的阳离子聚合物为聚二甲基二丙烯基胺盐酸盐或聚丙烯胺；
本发明所述的阴离子聚合物B为聚甲基丙烯酸或聚丙烯酸；
本发明所用含疏水链的分子为四氢全氟C4～C16烷基三甲基硅烷或四氢全氟C4～C16烷基三烷氧基硅烷。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.工艺简单，原料易得，成本低；
2.可以在非平面复杂结构基底上制备；
3.制备的超疏水涂层，接触角大于150°，滚动角小于5°，具有良好的自清洁性；
4.制备的自修复超疏水涂层能够在潮湿的环境下修复被分解或破坏的低表面能物质，修复被破坏的超疏水性。
附图说明
图1：实施例1所得自修复超疏水涂层接触角状态图；
图2：实施例1所得自修复超疏水涂层被O2等离子体破坏后接触角状态图；
图3：实施例1所得自修复超疏水涂层被O2等离子体破坏后自修复4小时后的接触角状态图；
图4：实施例2所得自修复超疏水涂层接触角状态图；
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步的描述：
接触角由Dataphysics OCA20型接触角测量仪测得。
实施例1：
(1)基底的处理：
将硅片依次用乙醇和蒸馏水分别超声处理10min，以除去基底表面附着的各种杂质(油脂和污物)，再用氮气吹干，待用。
(2)溶液的制备：
将50mL、0.2mg/mL磺化聚苯胺的去离子水溶液倒入50mL、0.4mg/mL聚二甲基二丙烯基胺盐酸盐的去离子水溶液中，配置成复合物溶液，待用；再将0.4g聚丙烯酸溶于100mL去离子水中，溶解均匀后待用。
(3)微纳复合表面的制备：
将步骤(1)中处理好的硅片在步骤(2)中制备的聚丙烯酸的去离子水溶液中浸泡10分钟，取出用去离子水冲洗；然后再在步骤(2)中制备的复合物溶液中浸泡10分钟，取出用去离子水冲洗；以上过程重复20次后吹干待用。
(4)涂层的热处理：
将通过步骤(3)获得的沉积有20层微纳复合结构涂层的硅片放烘箱中在110℃温度条件下加热3小时，增加涂层的稳定定性。
(5)疏水物质修饰：
将步骤(4)得到的硅片放入烘箱中，在100℃温度条件下使用Degussa公司生产的四氢全氟十烷基三甲基硅烷进行化学气相沉积1小时，取出后即得到本发明所述的自修复超疏水涂层。
如附图1所示，所制备的自修复超疏水涂层，其接触角为157°，滚动角小于1°。随后我们对其自修复能力进行了测试。如图2所示，被O2等离子体破坏的超疏水表面，其接触角为0°。这表明涂层表面的四氢全氟十烷基三甲基硅烷被彻底的分解了。随后将被O2等离子体破坏的超疏水表面放在普通环境下(温度25°，相对湿度40％)，经过4小时，其接触角重新变为157°(图3)。这一变化是由于涂层内部的四氢全氟十烷基三甲基硅烷释放到表面，降低了涂层的表面能。
实施例2：
(1)基底的处理：
将铝片依次用乙醇和蒸馏水分别超声处理10min，以除去基底表面附着的各种杂质，再用氮气吹干，待用。
(2)溶液的制备：
将100mL、0.4mg/mL的磺化聚苯胺的去离子水溶液倒入50mL、1mg/mL的聚二甲基二丙烯基胺盐酸盐的去离子水溶液中，配置成复合物溶液，待用；再将0.4g聚甲基丙烯酸溶于100mL去离子水中，溶解均匀后待用。
(3)微纳复合表面的制备：
将步骤(1)中处理好的铝片在步骤(2)中制备的聚甲基丙烯酸溶液中浸泡5分钟，取出水洗；然后再在步骤(2)中制备的复合物溶液中浸泡5分钟，取出水洗；以上过程重复15次后吹干待用。
(4)涂层的热处理：
将通过步骤(3)获得的沉积有15层微纳复合结构涂层的铝片放烘箱中在90℃温度条件下加热3小时，增加涂层的稳定定性。
(5)疏水物质修饰：
将步骤(4)得到的铝片放入烘箱中，在100℃温度条件下使用将Degussa公司生产的四氢全氟十烷基三甲基硅烷进行化学气相沉积1小时。取出后即得到了自修复超疏水涂层。
如附图4所示，所制备的自修复超疏水涂层，其接触角为157°，滚动角小于1°。
Claims (3)
1.一种制备自修复超疏水涂层的方法，其步骤如下：
A.基底的处理：分别使用乙醇和水对基底进行超声清洗，以去除基底表面上的杂质，氮气冲干；
B.涂层溶液的制备：将浓度为0.1～10mg/mL的阴离子聚合物A的去离子水溶液与浓度为0.1～10mg/mL的阳离子聚合物的去离子水溶液混合后制备成复合物溶液；再将阴离子聚合物B溶于去离子水中，制备成浓度为1.0～10.0mg/mL的去离子水溶液；
C.微纳复合表面的制备：将步骤A处理过的基底交替浸泡在步骤B所制备的两种溶液中各3～30分钟，每次浸泡后均将基底取出并用去离子水冲洗，从而完成一个周期的层状组装膜的制备；重复本步骤，吹干后从而在基底上利用层状组装技术制备得到不同粗糙度的多层微纳复合结构涂层；
D.涂层的热处理：将步骤C得到的制备有多层微纳复合结构涂层的基底放入烘箱中在50℃～400℃温度条件下加热1～3小时，以增加涂层的稳定性；
E.疏水物质的修饰：将步骤D得到的基底在60℃～250℃温度条件下进行化学气相沉积，将含疏水链的分子修饰在涂层表面，从而在基底上得到透明自修复超疏水涂层；
其中，阴离子聚合物A为聚乙烯苯磺酸钠、磺化聚醚醚酮或磺化聚苯胺；阳离子聚合物为聚二甲基二丙烯基胺盐酸盐或聚丙烯胺；阴离子聚合物B为聚甲基丙烯酸或聚丙烯酸；含疏水链的分子为四氢全氟C4～C16烷基三甲基硅烷或四氢全氟C4～C16烷基三烷氧基硅烷；阴离子聚合物A与阳离子聚合物以重复单元摩尔比为1∶1～1∶20的比例制备成复合物溶液。
2.如权利要求1所述的一种制备自修复超疏水涂层的方法，其特征在于：基底为平面、曲面或不规则表面的基底。
3.如权利要求1所述的一种制备自修复超疏水涂层的方法，其特征在于：基底为硅片、金属、玻璃或塑料。
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