CN105111473A - 一种超疏水ldpe薄膜的制备方法 - Google Patents

一种超疏水ldpe薄膜的制备方法 Download PDF

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赵九蓬
张鸿林
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Abstract

一种超疏水LDPE薄膜的制备方法。本发明涉及一种LDPE薄膜的制备方法。本发明的目的是要解决现有超疏水材料接触角大但是滚动角也大的问题。方法：一、向LDPE中加入二甲苯，加热至LDPE完全溶解，得到LDPE/二甲苯溶液；二、加入无水乙醇，加热搅拌，得到LDPE/二甲苯/乙醇溶液；三、将步骤二得到的LDPE/二甲苯/乙醇溶液均匀滴在石英片上，室温下自然干燥至溶剂完全挥发，得到超疏水LDPE薄膜。本发明工艺过程安全简便，无需昂贵设备，且操作流程简单。所得产品的疏水效果良好，具有较大的接触角，最大可达162.05度和较小的滚动角，最小可达0.1度。

Description

一种超疏水LDPE薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种LDPE薄膜的制备方法。
背景技术
所谓超疏水是指表面稳定接触角大于150°，滚动接触角小于10°。超疏水的研究开始于荷叶“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”。荷花会出淤泥而不染就在于荷花表面有一层超疏水材料，使得水流聚股留下，冲洗着淤泥。超疏水材料的表面结构很粗糙，属于微纳结构。不只是荷花上有，昆虫的足上也有，比如水黾，蚊子都能在水上行走而不划破水面这就是因为其上面的特殊结构。
制备超疏水表面常见的方法有两种：在普通疏水前驱体上添加表面能较低的官能团如：氟化物和硅等，第二种方法就是直接使用昂贵的材料如碳纳米管。尽管这两种方法一直都在不断发展，仍存在难以攻克的难题，如：反应复杂、高温条件、所制的膜在湿润环境不稳定、疏水性能减弱。ZhiqingYuan等人利用PDMS(聚二甲基硅氧烷)，PVC(聚氯乙烯)，通过软刻蚀方法探讨荷叶表面结构，运用模板法制备超疏水聚苯乙烯膜。实验表明，普通光滑的PVC膜接触角只有97°，在一定条件下，溶解于良溶剂后滴加不良溶剂涂膜，可得到接触角为157°的多孔超疏水膜，进一步调节实验参数，如温度、湿度等，可得到低滚动角，高接触角的自清洁膜层。
聚乙烯是常见的有机高分子聚合物，广泛应用于印刷，制膜，管板材等方面。LDPE树脂无臭，无毒，具有优良的耐低温性能(最低使用温度可达-100～-70℃)，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸)；常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，在低温时仍能保持柔软性，电绝缘性高。HDPE树脂低温抗冲击性好，可在-60℃～60℃温度范围内安全使用，使用寿命长，含有2％～2.5％的均匀分布的炭黑的聚乙烯管道，能够在室外露天存放或使用50年，不会因遭受紫外线辐射而损害，耐磨性好，同钢管相比高密度聚乙烯管具有更好的耐磨性，这意味着高密度聚乙烯管具有更长的使用寿命和更好的经济型。以HDPE和LDPE为原料制备出来的PE薄膜以其优良的特点被广泛应用于工业领域中。HDPE薄膜的耐热性、机械强度比LDPE薄膜好，并且疏水性更强，但透明度较差。
发明内容
本发明的目的是要解决现有超疏水材料虽然接触角大但是滚动角也大的问题，而提供一种超疏水LDPE薄膜的制备方法。
本发明一种超疏水LDPE薄膜的制备方法按以下步骤进行：
一、将LDPE加入到四口瓶中，然后加入二甲苯，在温度为80～100℃和转速为150rpm～250rpm的条件下加热至LDPE完全溶解，得到LDPE/二甲苯溶液；所述的LDPE/二甲苯溶液中LDPE的质量浓度为0.002g/mL～0.3g/mL；
二、向步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液中加入无水乙醇，然后在温度为70～90℃和转速为200rpm～300rpm的条件下搅拌25min～35min，得到LDPE/二甲苯/乙醇溶液；所述的无水乙醇与步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液的体积比(0.1～1)：1；
三、将步骤二得到的LDPE/二甲苯/乙醇溶液均匀滴在石英片上，室温下自然干燥至溶剂完全挥发，得到超疏水LDPE薄膜。
本发明的有益效果
本发明以低密度聚乙烯(LDPE)为基体，二甲苯和乙醇为溶剂制备超疏水LDPE薄膜。本发明方法具有以下优点：
1、本发明工艺过程安全简便，无需昂贵设备，且操作流程简单。
2、产品的疏水效果良好，具有较大的接触角，最大可达162.05度和较小的滚动角，最小可达0.1度。
3、产品具备良好的稳定性。
4、产品制备过程中对环境的污染小。
附图说明
图1为试验一得到的超疏水LDPE薄膜的SEM图；
图2为对照试验一得到的超疏水LDPE薄膜的SEM图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法按以下步骤进行：
一、将LDPE加入到四口瓶中，然后加入二甲苯，在温度为80～100℃和转速为150rpm～250rpm的条件下加热至LDPE完全溶解，得到LDPE/二甲苯溶液；所述的LDPE/二甲苯溶液中LDPE的质量浓度为0.002g/mL～0.3g/mL；
二、向步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液中加入无水乙醇，然后在温度为70～90℃和转速为200rpm～300rpm的条件下搅拌25min～35min，得到LDPE/二甲苯/乙醇溶液；所述的无水乙醇与步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液的体积比(0.1～1)：1；
三、将步骤二得到的LDPE/二甲苯/乙醇溶液均匀滴在石英片上，室温下自然干燥至溶剂完全挥发，得到超疏水LDPE薄膜。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的LDPE/二甲苯溶液中LDPE的质量浓度为0.03g/mL。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述温度为90℃。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述转速为200rpm。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的无水乙醇与步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液的体积比1：1。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中温度为80℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述转速为240rpm。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中搅拌时间为30min。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
用以下试验来验证本发明的有益效果
试验一、本试验的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法按以下步骤进行：
一、将LDPE加入到四口瓶中，然后加入二甲苯，在温度为90℃和转速为200rpm的条件下加热至LDPE完全溶解，得到LDPE/二甲苯溶液；所述的LDPE/二甲苯溶液中LDPE的质量浓度为0.03g/mL；
二、向步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液中加入无水乙醇，然后在温度为80℃和转速为240rpm的条件下搅拌30min，得到LDPE/二甲苯/乙醇溶液；所述的无水乙醇与步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液1：1；
三、将步骤二得到的LDPE/二甲苯/乙醇溶液均匀滴在石英片上，室温下自然干燥至溶剂完全挥发，得到超疏水LDPE薄膜。
(一)对试验一得到的超疏水LDPE薄膜进行接触角(CA)测试，得到试验一得到的超疏水LDPE薄膜的接触角为162.05度，滚动角为0.1度。
对照试验一、本试验的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法按以下步骤进行：
一、将LDPE加入到四口瓶中，然后加入二甲苯，在温度为90℃和转速为200rpm的条件下加热至LDPE完全溶解，得到LDPE/二甲苯溶液；所述的LDPE/二甲苯溶液中LDPE的质量浓度为0.03g/mL；
二、向步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液中加入无水乙醇，然后在温度为80℃和转速为240rpm的条件下搅拌30min，得到LDPE/二甲苯/乙醇溶液；所述的无水乙醇与步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液1.4：1；
三、将步骤二得到的LDPE/二甲苯/乙醇溶液均匀滴在石英片上，室温下自然干燥至溶剂完全挥发，得到超疏水LDPE薄膜。
(二)将试验一得到的超疏水LDPE薄膜与对照试验一得到的超疏水LDPE薄膜在扫描电子显微镜下放大3kv倍，通过SEM测试观测该样品表面微观形貌。得到如图1所示的试验一得到的超疏水LDPE薄膜的SEM图和图2所示的对照试验一得到的超疏水LDPE薄膜的SEM图。结合实验过程中观察到的现象，我们可以将超疏水LDPE涂层的形成过程解释如下：一般而言，聚合物溶液在一定条件下干燥时，其热力学性质变得不稳定，这将出现相分离的结果，形成聚合物贫相和富相。无水乙醇是LDPE的不良溶剂，作为沉淀剂，沉淀的高分子(LDPE)形成核，而高分子富相更容易在核周围聚集以降低表面张力，从而更加促进相分离。聚集的高分子在相分离后出现凝固形成模型，反之高分子贫相形成气孔，待溶剂蒸发完全后形成多孔超疏水薄膜。通过CassieBaxter模型表示，如下式：
cosθr＝f1cosθ－f2(1)
此处，f1和f2分别是表面固体和气体所占的比例(f1+f2＝1)，θ是纯固体表面的平衡接触角。该方程表明增加空气比例(f2)将增加LDPE涂层的接触角，反之，如果增加f1，即增加表面固体比例，接触角将减少。根据自然和人造超疏水材料种类上的调查研究表明，粗糙的表面对得到超疏水LDPE涂层是至关重要的。对于粗糙的表面，Wenzel假设了一种模型如下所示来描述润湿性，
cosθr＝rcosθ(2)
此处，r是粗糙因子，θ和θr分别是液体在光滑固体表面和粗糙固体表面的平衡接触角。根据上述等式，如果粗糙度增加，疏水表面的接触角也会增加。
通过观察如图1所示的SEM图像，可以看到许多不规则微粒堆砌，微粒间隙形成许多微纳级的不规则气孔，这样的形貌特征使得薄膜表面粗糙程度很高，故而增加了疏水表面的接触角。接触角为162.05度，滚动角为0.1度。
随着乙醇量的增加，高分子贫相相对增加，形成的气孔量也在增加。此时空气比例增加，接触角增大。当乙醇加入体积比超过50％时，过量的乙醇加入，使得高分子贫相形成的气孔太多，孔与孔之间连接成明显的裂缝或是露出基底，从图2可以看出该超疏水膜模型的连续性及膜表面微纳结构遭到破坏，进而使接触角减小。接触角为121.74度，滚动角为42度。

Claims (8)

1.一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于一种超疏水LDPE薄膜的制备方法按以下步骤进行：
一、将LDPE加入到四口瓶中，然后加入二甲苯，在温度为80～100℃和转速为150rpm～250rpm的条件下加热至LDPE完全溶解，得到LDPE/二甲苯溶液；所述的LDPE/二甲苯溶液中LDPE的质量浓度为0.002g/mL～0.3g/mL；
二、向步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液中加入无水乙醇，然后在温度为70～90℃和转速为200rpm～300rpm的条件下搅拌25min～35min，得到LDPE/二甲苯/乙醇溶液；所述的无水乙醇与步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液的体积比(0.1～1)：1；
三、将步骤二得到的LDPE/二甲苯/乙醇溶液均匀滴在石英片上，室温下自然干燥至溶剂完全挥发，得到超疏水LDPE薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中所述的LDPE/二甲苯溶液中LDPE的质量浓度为0.03g/mL。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中所述温度为90℃。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中所述转速为200rpm。
5.根据权利要求1所述的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中所述的无水乙醇与步骤一得到的LDPE/二甲苯溶液的体积比1：1。
6.根据权利要求1所述的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中温度为80℃。
7.根据权利要求1所述的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中所述转速为240rpm。
8.根据权利要求1所述的一种超疏水LDPE薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中搅拌时间为30min。
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