CN104313654B - 一种复制天然生物超疏水表面的模芯及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复制天然生物超疏水表面的模芯及其制备方法和应用，属于疏水表面的制备技术领域。该方法以天然生物超疏水表面作为母板，置于以氨基磺酸镍为主盐的电铸液中作为阴极，以镍板作为阳极，连接脉冲电源进行电铸，得到复制有超疏水表面结构的铸层；然后将铸层制成注塑模芯，安装至注塑模具上进行注塑，得到与天然生物表面结构一致的超疏水聚合物制件。本发明中的超疏水表面基体选自天然生物，其微纳结构规律且疏水性能极好，制备得到的超疏水聚合物制件具有较好的仿生物学疏水性。本发明利用电铸工艺制备的天然生物超疏水表面的模芯，可实现大批量制造与天然生物超疏水表面母板结构一致的超疏水聚合物制件。

Description

一种复制天然生物超疏水表面的模芯及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于疏水表面的制备技术领域，特别涉及一种复制天然生物超疏水表面的模芯及其制备方法和应用。

背景技术

超疏水表面具有自清洁、防电流传导、防腐蚀、防水、防雾、防霉、防雪、防霜冻、防黏附与防污染等功能，在宇宙空间探索、军事、工农业生产、生物医学工程、微流控领域和人们的日常生活中都有非常广阔的应用前景。如何制备高质量疏水表面一直以来都是一项热门的研究。目前研究人员主要通过构造微纳米颗粒结构、微纳米花样图案、纳米棒、纳米线等实现材料表面的超疏水性，但采用的方法步骤多，条件困难，微纳米图案不规律，质量不高，难以达到大规模生产，且只能针对特定的金属基体或硅片等。在自然界中有很多动植物的表面具有超疏水的特性，如荷叶、竹叶、水黾、蜻蜓等，其疏水表面接触角高达150°以上和滚动角低于3°。从仿生物学的角度复制天然生物超疏水表面是制配超疏水表面的很好方法，但是目前如何有效、高质量地复制天然生物超疏水表面结构还是一个亟需解决的问题。

电铸成型是一种利用电沉积原理制造零件的精密特种加工方法。所成形的零件能非常精确地复制阴极形状及其细微结构，采用微电铸方法可以制作各种精密异型、复杂型面和超精密的金属零部件，广泛应用于成型复杂精密模具、MEMS微细结构零件等传统机械加工方法无法成型的制件。利用电铸工艺可以精密复制超疏水表面，得到形状相反、结构对称的电铸层。但目前通过电铸工艺得到天然超疏水表面注塑模芯，再经注塑工艺制备超疏水表面的方法还未见相关报道。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术中存在的缺点与不足，提供一种复制天然生物超疏水表面的模芯的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备获得的复制天然生物超疏水表面的模芯。

本发明的另一目的在于提供运用上述模芯复制天然生物超疏水表面的方法。

本发明的再一目的在于提供上述方法获得的天然生物超疏水表面聚合物制件。本发明的目的通过下述技术方案实现：一种复制天然生物超疏水表面的模芯的制备方法，包括如下步骤：

(1)将天然生物超疏水表面置于真空镀膜机中进行表面金属化处理，得到天然生物超疏水表面母板；

(2)往步骤(1)的天然生物超疏水表面母板上滴加十二烷基硫酸钠至天然生物超疏水表面母板浸润后，置于电铸液中作为电铸阴极，以电解镍板作为电铸阳极，阴、阳极分别与脉冲电源的负极和正极相连，于0.05A/cm²的电流密度下进行电铸5～6h，得到电铸铸层与天然生物超疏水表面基体；电极间距为4～8cm；

(3)将步骤(2)中的电铸铸层与天然生物超疏水表面基体取出，用蒸馏水冲洗干净，将电铸铸层与天然生物超疏水表面基体分离，依次用无水乙醇和蒸馏水将电铸层冲洗干净后进行后处理加工，得到天然生物超疏水表面的模芯。

步骤(1)中：

所述的天然生物超疏水表面为动植物超疏水结构表面，优选为荷叶、竹叶、蜻蜓翼或水黾翅膀超疏水结构表面；更优选为竹叶超疏水结构表面；

所述的天然生物超疏水表面采用以下方法进行预处理：将天然生物超疏水表面用蒸馏水冲洗干净，晾干后备用；

所述的表面金属化处理为喷金或喷银处理，金属喷涂层厚度为10nm～20nm。

步骤(2)中：

所述的电铸液采用以下方法进行制备：将氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠分别溶于蒸馏水中，搅拌均匀，得到电铸液；

所述的电铸液中各组分浓度分别为氨基磺酸镍400g/L、氯化镍10g/L、硼酸30g/L和十二烷基硫酸钠2ml/L；

所述的脉冲电源为矩形波形脉冲电源，占空比为24％，频率为1500Hz。

一种复制天然生物超疏水表面的模芯由上述的制备方法获得。

上述制备获得的模芯应用于复制天然生物超疏水表面制备天然生物超疏水聚合物制件。

上述的模芯应用于复制天然生物超疏水表面制备天然生物超疏水聚合物制件，包括如下步骤：将所述的天然生物超疏水表面的模芯安装至注塑模具上，然后将模具安装到注塑机上进行注塑，得到与天然生物超疏水表面结构一致的超疏水聚合物制件。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：本发明采用电铸工艺复制天然生物超疏水表面结构，通过制备天然生物超疏水表面的模芯(注塑模芯)，经注塑工艺制备得到与天然生物超疏水表面母板一致的超疏水聚合物制件。与其他方法相比，本发明中的超疏水表面基体选自天然生物，其微纳结构规律且疏水性能极好，制备得到的超疏水聚合物制件具有较好的仿生物学疏水性。本发明利用电铸工艺制备的天然生物超疏水表面的模芯，可实现大批量制造与天然生物超疏水表面母板结构一致的超疏水聚合物制件。

附图说明

图1为竹叶表面扫描电镜图；

图2为竹叶电铸铸层扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实例1

一种竹叶超疏水表面的模芯的制备方法，包括如下步骤：

(1)摘取新鲜竹叶，用蒸馏水冲洗干净、晾干，裁剪成10mmX10mm的小块后置于真空镀膜机中，对竹叶超疏水表面进行表面喷金处理，喷金层厚度为15nm；

(2)配制电铸液：将氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠分别溶于蒸馏水中，搅拌均匀，得到电铸液；所述的电铸液中各组分浓度分别为氨基磺酸镍400g/L、氯化镍10g/L、硼酸30g/L和十二烷基硫酸钠2ml/L；

(3)将经过喷金处理后的竹叶滴加十二烷基硫酸钠至表面全部浸润，然后装夹到与脉冲电源阴极相连的电铸阴极夹具上，放入步骤(2)的电铸液中作为电铸阴极；将一块电解镍板平行于阴极夹具放入电铸液中，镍板与脉冲电源阳极相连，作为电铸阳极进行电铸。两电极之间的间距为5cm，脉冲电源参数设定波形为矩形，占空比为24％，频率为1500Hz，电流大小为0.05mA，电铸时间为6小时；

(4)电铸完成后将阴极夹具取出，用蒸馏水冲洗干净，并将电铸铸层与竹叶基体分离，将电铸铸层依次用无水乙醇和蒸馏水冲洗干净；得到竹叶超疏水表面的模芯。

竹叶的表明电镜扫描图如图1所示。对得到的竹叶超疏水表面的模芯进行电镜扫描，结果如图2所示。从图2可以看到，电铸铸层上的结构与竹叶表面形状相反，结构对称。

实施例2

运用实施例1的竹叶超疏水表面的模芯复制竹叶超疏水表面的方法，包括如下步骤：将所述的竹叶超疏水表面的模芯进行线切割加工，除去电铸边缘效应生成的边角，制成10mmX10mm注塑模芯，将注塑模芯安装至注塑模具上，然后将模具安装到注塑机上进行注塑，得到与竹叶超疏水表面结构一致的超疏水聚合物制件。对得到的超疏水聚合物制件进行疏水检测，水滴在其上的接触角为150°，滚动角为2°，具有较好的仿生物学疏水性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复制天然生物超疏水表面的模芯的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将天然生物超疏水表面置于真空镀膜机中进行表面金属化处理，得到天然生物超疏水表面母板；

(2)往步骤(1)的天然生物超疏水表面母板上滴加十二烷基硫酸钠至天然生物超疏水表面母板浸润后，置于电铸液中作为电铸阴极，以电解镍板作为电铸阳极，阴、阳极分别与脉冲电源的负极和正极相连，于0.05A/cm²的电流密度下进行电铸5～6h，得到电铸铸层与天然生物超疏水表面基体；电极间距为4～8cm；

(3)将步骤(2)中的电铸铸层与天然生物超疏水表面基体取出，用蒸馏水冲洗干净，将电铸铸层与天然生物超疏水表面基体分离，依次用无水乙醇和蒸馏水将电铸层冲洗干净后进行后处理加工，得到复制天然生物超疏水表面的模芯；

所述步骤(1)中所述的天然生物超疏水表面为动植物超疏水结构表面；

所述的天然生物超疏水表面为荷叶、竹叶、蜻蜓翼或水黾翅膀超疏水结构表面；

所述步骤(1)中所述的表面金属化处理为喷金处理，金膜喷涂层厚度为10nm～20nm；

所述步骤(2)中所述的电铸液中各组分浓度分别为氨基磺酸镍400g/L、氯化镍10g/L、硼酸30g/L和十二烷基硫酸钠2ml/L；

所述步骤(2)中所述的脉冲电源为矩形波形脉冲电源，占空比为24％，频率为1500Hz。

2.一种复制天然生物超疏水表面的模芯由权利要求1所述的制备方法获得。

3.权利要求2所述的复制天然生物超疏水表面的模芯应用于复制天然生物超疏水表面制备天然生物超疏水聚合物制件，其特征在于：包括如下步骤，将所述的天然生物超疏水表面的模芯安装至注塑模具上，然后将模具安装到注塑机上进行注塑，得到与天然生物超疏水表面结构一致的超疏水聚合物制件。