CN109052977A - 一种微纳米缺陷玻璃表面的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有微纳米缺陷的玻璃表面的构建方法，属于化学制备技术领域。氢氟酸气态分子刻蚀法制备具有微纳米缺陷的玻璃表面。在溶剂中和助剂作用下使氢氟酸形成混合溶液，少量的该混合溶液在密闭容器中加热至100℃以上汽化成气态体系，玻璃在该体系中存在一定的时间进行分子刻蚀；然后经水清洗，干燥获得具有微纳米缺陷的玻璃表面，从而制备出超疏水玻璃表面。此方法制备的玻璃表面不仅具有良好的超疏水效果，抗摩擦、耐强酸强碱能力强，且具备较好的透光性，牢固性良好。

Description

一种微纳米缺陷玻璃表面的构建方法

技术领域

本发明涉及具有微纳米缺陷的玻璃表面的构建方法，是化学刻蚀法制备超疏水玻璃表面的一种新方法，属于化学制备技术领域。

背景技术

本发明的目的是找到一种简便易行的制备具有超疏水性能玻璃表面的方法。

在玻璃、液体和气体的三相交点处，液体-气体在该点的切线与液体-玻璃在该点的切线，所形成的夹角就是该玻璃-液体的接触角。当水滴-玻璃之间接触角达到或超过150°，那我们就将其定义为超疏水玻璃表面。

超疏水玻璃表面表现出良好的自清洁、防冰覆、高透防污、防结雾等性能，使得其在汽车、飞机等交通工具的挡风玻璃、高层建筑玻璃、建筑外墙体涂料、电力运输、电池能源、光学仪器、电子设备等领域得以广泛应用。

近年来，超疏水玻璃表面的制备方法发展迅速，常用的有溶胶-凝胶法、模板法、化学气相沉积法、刻蚀法等。刻蚀法是对玻璃表面改性的常用方法，它主要包括化学刻蚀、电化学刻蚀、等离子刻蚀和光刻蚀等。其中，化学刻蚀操作简单，对实验设备的要求较低；电化学刻蚀是利用电化学原理在模板表面产生刻蚀剂来构建微表面；等离子刻蚀适合于构建密度高、结构复杂的图案；光刻蚀适合于构建形状多样的图案。

本发明与通常意义上的化学刻蚀的关键区别在于，不是用氢氟酸溶液对玻璃表面进行刻蚀，而是用极少量的氢氟酸汽化后形成分子态的气体对玻璃表面进行刻蚀。通过稀薄的气态氟化氢分子刻蚀玻璃表面，在玻璃表面形成微纳米尺度的凹凸缺陷，从而构建出具有超疏水性能的玻璃表面。

传统的利用氢氟酸腐蚀玻璃表面的技术方法中，多以将玻璃置于氢氟酸水溶液中刻蚀玻璃表面来构造粗糙结构，但由于此刻蚀方式所构造的粗糙结构未能达到超疏水所需的微纳米结构，故未能实现玻璃表面的超疏水，目前只能实现玻璃表面一定的疏水性。武玉海【超疏水表面的制备及其性能研究[D].浙江：浙江师范大学，2001】利用氢氟酸水溶液刻蚀的方法得到接触角大小为123°的玻璃表面。曹耿、潘美英【普通硅酸盐玻璃表面的疏水改性及其微纳结构表征[J].四川大学学报(自然科学版)，2014，51(4)：804-808】利用5％HF溶液作刻蚀剂，然后置于0.5mmol/L的OTS-甲苯溶液自组装15min，得到玻璃表面与水的静态接触角达到107°。

采用氢氟酸溶液不能通过化学刻蚀制备具有微纳米缺陷玻璃表面。

氢氟酸溶液经常用于玻璃表面的刻蚀造型，现有的采用氢氟酸刻蚀玻璃的方法中，比如玻璃雕花，大都采用溶液稀释的办法来降低刻蚀液的酸强度，但无论怎么稀释，都难以用来制备微纳米尺度的玻璃表面。本小组工作人员也曾尝试采用不同浓度的氢氟酸溶液，通过改变刻蚀时间，试图制备具有微纳米缺陷的玻璃表面，都未获成功。

本发明创新性地提出利用氢氟酸在高温密闭体系下，氢氟酸气态分子刻蚀玻璃表面构建微观粗糙结构，成功实现了利用氢氟酸制备超疏水玻璃表面。对应用此方法制备的超疏水玻璃表面进行了光透性、牢固性和耐强酸强碱性的测试，得到了具备一定光透性和良好的牢固性及耐强酸强碱性的超疏水玻璃表面，解决了传统技术手段制备的超疏水玻璃表面存在光透性差、结合强度低、耐摩擦能力差及耐强酸强碱能力差的问题。

利用本发明的方法构建的玻璃表面水接触角达到150°以上，具有超疏水性能。

发明内容

电化学刻蚀、等离子刻蚀和光刻蚀等传统刻蚀方法存在操作复杂、设备要求高、工艺难度大的缺点。

本发明的目的在于，提供一种微纳米缺陷玻璃表面的构建方法，简单易行，生产成本低，操作简便。

一种微纳米缺陷玻璃表面的构建方法，其特征在于，包括下列步骤：

1.在溶剂中和助剂作用下使氢氟酸形成混合溶液，溶液汽化成气态体系，玻璃在该体系中存在一定的时间进行分子刻蚀；然后经水清洗，干燥获得具有微纳米缺陷的玻璃表面。

2.如1所述的方法，其特征在于所述微纳米缺陷是指玻璃表面具有微纳米尺度的凹凸。

3.如1所述的方法，其特征在于所述溶剂可以是水和甲醇、乙醇、丙醇、丙二醇等有机醇形成的混合液的集合。

4.如1所述的方法，其特征在于所述助剂是除氢氟酸外的无机酸，或/和有机酸的混合物。

为了达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案。

发明了氢氟酸分子刻蚀法，利用高温条件下氢氟酸混合体系汽化后刻蚀玻璃表面构建微纳米缺陷的粗糙结构，从而制备超疏水玻璃表面。

本发明的方法制备的玻璃表面水接触角达到150°以上，具有超疏水性能。应用本方法对玻璃板表面进行化学刻蚀时，刻蚀时间长短及氢氟酸的用量对构建微纳米缺陷的粗糙结构有影响。利用1000mL的聚四氟乙烯罐作为反应容器，加入一定量的氢氟酸混合溶液，加热到100℃进行化学刻蚀，当刻蚀时长达到 1.5h时，可以保证容器内氢氟酸与玻璃表面充分反应。

在一定的氢氟酸用量范围内，随着氢氟酸用量的增加，玻璃表面的水接触角提高，当氢氟酸用量为 20mL时，接触角为151.09°，达到疏水效果；当氢氟酸用量为50mL时，接触角为153.99°，达到最佳疏水效果；当氢氟酸用量进一步增加时，玻璃表面的疏水效果开始有微弱下降。

此方法制备的超疏水玻璃表面不仅具有良好的疏水效果，抗摩擦、耐强酸强碱能力强，且具备较好的透光性，牢固性良好，室内放置30天疏水性无明显变化。

本发明的技术效果：采用本发明技术方案，设备和操作无特殊要求，生产成本低，简单易行。

附图说明

图1是分子蚀刻后玻璃表面在扫描电子显微镜不同倍率下微观形貌图；

图2是不同刻蚀剂用量制备的微纳米缺陷玻璃表面在扫描电子显微镜2000倍率下的微观形貌图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步具体描述，但不局限于此。利用接触角测量仪测定涂层表面的润湿性能。微量进样器的不锈钢针头保证液滴能够顺利滴下。测量接触角和滚动角时，例中所用数据是取表面 5个测试点的数据的算术平均值。

利用场发射扫描电子显微镜(SEM)观察玻璃表面微观结构。

利用紫外可见分光光度计测定玻璃透光率。

实施例1

根据玻璃片的大小和多少，选用100ml或1000ml的聚四氟乙烯罐作为反应器。

(1)取玻璃片(2厘米×6厘米)进行表面一致化处理。将玻璃片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20min，取出后氮气吹干备用。

(2)将一定量的氢氟酸滴入100ml聚四氟乙烯罐中，加入0.5ml乙醇和0.5ml冰乙酸，水平放入准备好的玻璃片，密封好后，将聚四氟乙烯罐加热到100℃维持一定时间后取出。

(3)将玻璃片放入去离子水中，超声清洗30min，取出后氮气吹干备用。

由于氢氟酸气化后会与水平放置的玻璃片的下表面先充分接触，而随着刻蚀时间的增加，再与上表面充分接触，导致玻璃片的下表面首先完成充分刻蚀，上表面随后完成充分刻蚀。这里定义玻璃片的下表面与水的接触角为接触角1，上表面与水的接触角为接触角2。

准备5片清洗干净的玻璃片，在五个聚四氟乙烯罐均滴加2mL氢氟酸，按照实验步骤(2)对玻璃片进行不同时间的刻蚀。刻蚀结束后，将玻璃片超声清洗，测定各接触角。刻蚀时间采取0.5h为起始时间，以0.5h递增，共观测5个刻蚀时间。玻璃片与水的接触角如表所示。

接触角测定数据

2mL氢氟酸，100℃，1.5h的刻蚀条件制备的玻璃表面在扫描电子显微镜下不同倍率的微观形貌图见附图1。

玻璃经过2mL氢氟酸，100℃，1.5h的条件下刻蚀后在其表面形成具备光透性的结构，在高倍的扫描电子显微镜下，获取了其表面20000倍、40000倍和80000倍的微观形貌SEM图。此结构表面均匀分布着微纳米级的突起，其尺寸约为1600nm。

150℃，1.5h刻蚀条件下，刻蚀剂氢氟酸用量分别为2mL和5mL时得到的微纳米缺陷玻璃表面，在扫描电子显微镜2000倍率下的微观形貌图见附图2。随着氢氟酸用量的增加，纳米级突起随之被氢氟酸刻蚀消失，并产生粗糙的“沙坑”状结构。

实施例2

(1)取玻璃片(2厘米×6厘米)进行表面一致化处理。将玻璃片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20min，取出后氮气吹干备用。

(2)将一定量的氢氟酸滴入100ml聚四氟乙烯罐中，加入0.5ml甲醇和0.5ml浓度36.5％的浓盐酸，水平放入准备好的玻璃片，密封好后，将聚四氟乙烯罐加热到100℃维持一定时间后取出。

(3)将玻璃片放入去离子水中，超声清洗30min，取出后氮气吹干备用。

重复实施例1的操作，2mL氢氟酸，100℃，1.5h的刻蚀条件制备的玻璃表面水接触角达到153°以上，具备超疏水性能。

实施例3

实验步骤同实施例1，不同的是(2)中将聚四氟乙烯罐加热到150℃维持一定时间后取出，实验结果与实施例1一致。

实施例4

实验步骤同实施例2，不同的是(2)中将“甲醇和浓盐酸”替换为“丙二醇和98％的硫酸”，实验结果与实施例2一致。

本发明方法制备的微纳米缺陷的玻璃表面，不仅具有良好的超疏水玻璃表面疏水效果，抗摩擦、耐强酸强碱能力强，且具备较好的透光性，牢固性良好，室内放置30天疏水性无明显变化。生产成本低，实用性强。

Claims (6)

1.一种微纳米缺陷玻璃表面的构建方法，其特征在于采用氢氟酸气态分子刻蚀法，包括下列步骤：

在溶剂中和助剂作用下使氢氟酸形成混合溶液，少量的该混合溶液在密闭容器中加热至一定温度时汽化成气态体系，玻璃在该体系中存在一定的时间进行分子刻蚀；然后经水清洗，干燥获得具有微纳米缺陷的玻璃表面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述微纳米缺陷是指玻璃表面具有微纳米尺度的凹凸。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述“少量的该混合溶液”是指所用混合溶液的体积相对于密闭容器的容积之比，不大于5/100。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述“一定温度”是指不低于100℃，不高于150℃。优选地，“一定温度”是指100℃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述溶剂可以是水和甲醇、乙醇、丙醇、丙二醇等有机醇形成的混合液的集合。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述助剂是除氢氟酸外的无机酸，或/和有机酸的混合物。