CN105111495A - 具有普适性的简便超疏水材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，先将超疏水材料的基体置于臭氧和紫外灯照射下作用0.2-5h，或者将超疏水材料的基体置于多巴胺水溶液中反应3-24h，使所述基体的表面羟基化；然后置于体积分数为0.1％-2％的氯硅烷的有机溶剂溶液中搅拌0.1-3h；最后置于烘箱中于20-120℃下烘干，得到所述超疏水材料。本发明采用具有环境友好、易规模化生产、成本低廉、适用范围广泛、制备方法简单的溶液搅拌方法对原材料表面进行改性，制备具有超疏水性能的材料，具有无需任何专门昂贵的仪器设备和精准的试验条件的优势。

Description

具有普适性的简便超疏水材料的制备方法
技术领域
本发明的实施方式涉及疏水材料领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种具有普适性的简便超疏水材料的制备方法。
背景技术
具有特殊浸润性能的超疏水材料可广泛应用于清洁、油水分离、水下减阻、防结冰等领域，这类新型功能材料的制备和实用化受到了人们的广泛关注。现目前研究的超疏水材料的制备方法主要分为两大类：一是在基体表面构筑微纳米结构后再修饰低表面能物质；二是在具有低表面能物质表面构筑微纳米结构。根据以上制备方法的分类发展了多种超疏水材料的具体制备方法，如采用气相沉积法、机械加工法、光刻掩膜法、多步溶液浸泡法等，这些制备方法大部分需要使用较多的处理步骤和昂贵的仪器设备，增加了材料制备的成本和不确定因素，不利于超疏水材料的工业化生产，而且针对不同基体的疏水表面处理需要不同的处理工艺和仪器设备，限制了超疏水材料的大量生产、开发和实际应用。因此，发明一种具有普适性的简单快捷且不需昂贵设备的超疏水材料制备方法可制备多种类型的超疏水材料，降低生产成本，具有广阔的工业化前景。
发明内容
本发明克服了现有技术制备超疏水材料工艺复杂、设备昂贵、成本高等不足，提供一种具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，以期望可以能快捷高效地对基体进行超疏水表面处理，而且不需要任何昂贵的设备和苛刻的试验条件。
为解决上述的技术问题，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：
一种具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将超疏水材料的基体置于臭氧和紫外灯照射下作用0.2-5h，或者将超疏水材料的基体置于多巴胺水溶液中反应3-24h，使所述基体的表面羟基化；
(2)将表面羟基化后的基体置于体积分数为0.1％-2％的氯硅烷的有机溶剂溶液中搅拌0.1-3h；
(3)将经步骤(2)处理后的基体置于烘箱中于20-120℃下烘干，得到所述超疏水材料。
进一步的技术方案是：所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法中，超疏水材料的基体的材质是金属、金属氧化物、有机材料、无机材料或高分子材料。
更进一步的技术方案是：所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法中，多巴胺水溶液的浓度是0.5-20mg/mL。
更进一步的技术方案是：所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法中，氯硅烷的结构如下：
其中，R是CH3、C2H5、CnH2n+1、CF3或者CnH2n+1-mFm,1≤n≤36,1≤m≤36。
或者氯硅烷的结构如下：
其中，R1和R2是CH3、C2H5、CnH2n+1、CF3或者CnH2n+1-mFm；R1和R2相同或者不相同,1≤n≤36,1≤m≤36。
更进一步的技术方案是：所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法中，有机溶剂是正己烷、正辛烷、正葵烷或者甲苯。
与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：本发明采用具有环境友好、易规模化生产、成本低廉、适用范围广泛、制备方法简单的溶液搅拌方法对原材料表面进行改性，制备具有超疏水性能的材料。此类制备方法可广泛应用于金属、金属氧化物、有机、无机和高分子材料表面，制备方法简单快捷，成本低廉，具有无需任何专门昂贵的仪器设备和精准的试验条件的优势。本发明的超疏水材料制备方法解决了现有制备超疏水材料方法的成本过高、制备工艺过程复杂、使用尖端复杂的设备、不易规模化生产等问题，使超疏水材料与实际应用结合更加紧密。
附图说明
图1为采用本发明的方法制备得到的超疏水海绵的接触角照片。
图2为采用本发明的方法制备得到的超疏水泡沫镍的接触角照片。
图3为采用本发明的方法制备得到的氧化铁粉末材料的接触角照片。
图4为采用本发明的方法制备得到的石墨烯薄膜的接触角照片。
图5为采用本发明的方法制备得到的超疏水碳粉材料的接触角照片。
图6为采用本发明的方法制备得到的超疏水海绵的扫描电镜照片。
图7为采用本发明的方法制备得到的超疏水泡沫镍的扫描电镜照片。
图8为采用本发明的方法制备得到的超疏水海绵表面的傅里叶红外光谱FTIR图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
以海绵为超疏水材料的基体。
将海绵置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使海绵的表面羟基化，取出海绵再置于体积分数为0.1％的CH3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将海绵取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的海绵。
利用接触角测试仪，扫描电镜，傅里叶红外光谱等仪器设备对超疏水材料的性能进行了测试和表征。超疏水海绵的接触角照片如图1所示，证明上述制备的超疏水性能的海绵的确具有超疏水性能；超疏水海绵的扫描电镜照片如图6所示，表征了超疏水海绵的微观纳米形貌；超疏水海绵表面的FTIR图如图8所示，表征了处理后的超疏水海绵表面的低表面能组成成分。
实施例2
以海绵为超疏水材料的基体。
将海绵置于臭氧和紫外灯照射下作用1h，使海绵的表面羟基化，取出海绵再置于体积分数为0.5％的CH3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将海绵取出，置于烘箱中，在温度60℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的海绵。
利用接触角测试仪，扫描电镜，傅里叶红外光谱等仪器设备对超疏水材料的性能进行了测试和表征。表征图片/照片与实施例1相同或相似，说明本实施例的超疏水海绵的确具有超疏水性能。
实施例3
以泡沫镍金属材料为超疏水材料的基体。
将泡沫镍金属材料置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使泡沫镍金属材料的表面羟基化，取出泡沫镍金属材料再置于体积分数为0.5％的CH3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将泡沫镍金属材料取出，置于烘箱中，在温度120℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的泡沫镍金属材料。
超疏水泡沫镍的接触角照片如图2，超疏水泡沫镍的扫描电镜照片如图7，说明本实施例的超疏水泡沫镍金属材料的确具有超疏水性能。
实施例4
以氧化铁粉末材料为超疏水材料的基体。
将氧化铁粉末材料置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使氧化铁粉末材料的表面羟基化，取出氧化铁粉末材料再置于体积分数为0.5％的CH3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将氧化铁粉末材料取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的氧化铁粉末材料。
超疏水氧化铁粉末材料的接触角照片如图3，说明本实施例的超疏水氧化铁粉末材料的确具有超疏水性能。
实施例5
以石墨烯薄膜为超疏水材料的基体。
将石墨烯薄膜材料置于浓度为0.5mg/mL的多巴胺水溶液中22h，使其表面羟基化，取出石墨烯薄膜材料再置于体积分数为2％的CH3SiCl3的甲苯溶液中浸泡2h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将石墨烯薄膜材料取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的石墨烯薄膜材料。
超疏水石墨烯薄膜的接触角照片如图4，说明本实施例的超疏水石墨烯薄膜的确具有超疏水性能。
实施例6
以碳粉末材料为超疏水材料的基体。
将碳粉末材料置于臭氧和紫外灯照射下作用3h，使碳粉末材料的表面羟基化，取出碳粉末材料再置于体积分数为0.5％的CH3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将碳粉末材料取出，置于烘箱中，在温度20℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的碳粉末材料。
超疏水碳粉末材料的接触角照片如图5，说明本实施例的超疏水碳粉末材料的确具有超疏水性能。
实施例7
以海绵为超疏水材料的基体。
将海绵置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使海绵的表面羟基化，取出海绵再置于体积分数为0.5％的C2H5SiCl2的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将海绵取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的海绵。
实施例8
以海绵为超疏水材料的基体。
将海绵置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使海绵的表面羟基化，取出海绵再置于体积分数为0.5％的CF3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将海绵取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的海绵。
实施例9
以海绵为超疏水材料的基体。
将海绵置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使海绵的表面羟基化，取出海绵再置于体积分数为0.5％的C2F5SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将海绵取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的海绵。
实施例10
以泡沫镍金属材料为超疏水材料的基体。
将泡沫镍金属材料置于臭氧和紫外灯照射下作用5h，使泡沫镍金属材料的表面羟基化，取出泡沫镍金属材料再置于体积分数为0.5％的C2H5SiCl2的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将泡沫镍金属材料取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的泡沫镍金属材料。
实施例11
以泡沫镍金属材料为超疏水材料的基体。
将泡沫镍金属材料置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使泡沫镍金属材料的表面羟基化，取出泡沫镍金属材料再置于体积分数为0.5％的CF3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将泡沫镍金属材料取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的泡沫镍金属材料。
实施例12
以碳粉末材料为超疏水材料的基体。
将碳粉末材料置于臭氧和紫外灯照射下作用0.5h，使碳粉末材料的表面羟基化，取出碳粉末材料再置于体积分数为0.5％的CF3SiCl3的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将碳粉末材料取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的碳粉末材料。
实施例13
以海绵为超疏水材料的基体。
将海绵置于浓度为20mg/mL的多巴胺水溶液中3h，使海绵的表面羟基化，取出海绵再置于体积分数为1％的CH3SiCl3的正己烷溶液中浸泡3h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将海绵取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的海绵。
实施例14
以泡沫镍金属材料为超疏水材料的基体。
将泡沫镍金属材料置于浓度为5mg/mL的多巴胺水溶液中10h，使泡沫镍金属材料的表面羟基化，取出泡沫镍金属材料再置于体积分数为0.5％的C2H5SiCl2的正己烷溶液中浸泡1h，外界环境的湿度控制于30％，完成后，将泡沫镍金属材料取出，置于烘箱中，在温度50℃条件下烘干，即得到具有超疏水性能的泡沫镍金属材料。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将超疏水材料的基体置于臭氧和紫外灯照射下作用0.2-5h，或者将超疏水材料的基体置于多巴胺水溶液中反应3-24h，使所述基体的表面羟基化；
(2)将表面羟基化后的基体置于体积分数为0.1％-2％的氯硅烷的有机溶剂溶液中搅拌0.1-3h；
(3)将经步骤(2)处理后的基体置于烘箱中于20-120℃下烘干，得到所述超疏水材料。
2.根据权利要求1所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，其特征在于所述超疏水材料的基体的材质是金属、金属氧化物、有机材料、无机材料或高分子材料。
3.根据权利要求1所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，其特征在于所述多巴胺水溶液的浓度是0.5-20mg/mL。
4.根据权利要求1所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，其特征在于所述氯硅烷的结构如下：
其中，R是CH3、C2H5、CnH2n+1、CF3或者CnH2n+1-mFm,1≤n≤36,1≤m≤36。
5.根据权利要求1所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，其特征在于所述氯硅烷的结构如下：
其中，R1和R2是CH3、C2H5、CnH2n+1、CF3或者CnH2n+1-mFm；R1和R2相同或者不相同，1≤n≤36,1≤m≤36。
6.根据权利要求1所述的具有普适性的简便超疏水材料的制备方法，其特征在于所述有机溶剂是正己烷、正辛烷、正葵烷或者甲苯。
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