CN109092648B - 一种疏水柔性纳米草的制备方法 - Google Patents

一种疏水柔性纳米草的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种疏水柔性纳米草的制备方法，包括步骤一，基底的预处理；步骤二，基底表面的乙烯基修饰：将乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯混合后溶于乙醇溶液中，搅拌均匀，并用稀盐酸调节pH值，然后将预处理后的基底浸入上述溶液中，完成表面的乙烯基修饰；步骤三，乙烯基修饰后的基底表面的化学接枝：将聚二甲基硅氧烷和交联剂溶解在甲苯中，然后修饰有乙烯基的基底表面浸入其中，然后取出沥干，升温烘干，完成聚二甲基硅氧烷与乙烯基的交联，即在基底表面形成纳米草；步骤四，纳米草的均匀化处理：将二甲基硅油溶于甲苯中，然后涂刷在步骤三获得的纳米草上，使二甲基硅油填充在聚二甲基硅氧烷的柔性长链之间，形成光滑连续均匀的纳米草涂层。

Description

一种疏水柔性纳米草的制备方法
技术领域
本发明涉及一种疏水柔性纳米草的制备方法，属于疏水材料制备技术领域。
背景技术
凝结是自然界中常见的相变现象，也是能量转换、热管理和环境控制中的重要过程。铜、不锈钢、铝合金等常规金属材料呈亲水特性，水蒸气在其表面凝结时能很好地润湿表面，形成连续的液膜覆盖在凝结表面上，该现象被称为膜状凝结。随着凝结过程的进行，液膜厚度增厚，凝结换热能力变差。而在疏水表面，水蒸气凝结之后因难以润湿凝结表面，将形成离散的液珠，而非连续液膜，该现象被称为珠状凝结。相比膜状凝结，珠状凝结的换热系数有一到两个数量级的提高，能极大地强化凝结换热能力。常规的凝结表面所用材料多为亲水的金属，因而对凝结表面进行改性，使之具备疏水性，成为了提高凝结换热能力的有效手段。
目前利用改性手段获得疏水表面的主要方案为表面微纳结构加工和化学改性。其中表面微纳结构较为普遍，采取的是激光加工、等离子刻蚀、电介质刻蚀、化学刻蚀等方法，在凝结表面上加工出类似于荷叶表面的微米/纳米级凸触结构。微纳结构以及其孔隙中包含的空气可改变表面的浸润性，水蒸气在表面凝结时无法覆盖在凝结表面，而形成珠状凝结。化学改性则是通过化学加工表面的的方法制造出呈疏水特性凝结表面，例如通过化学反应将疏水基团包覆在微米或纳米级别的二氧化硅/二氧化钛颗粒表面，然后将颗粒刷涂于需要改性的表面，得到疏水凝结面；或通过化学接枝反应将具有疏水性的基团直接附着在凝结表面。类似的方案还包括两者的结合，即完成表面微纳结构改造后再对表面亲疏水性进行化学改造。上述方法存在以下缺点：
1、表面微纳结构加工：加工过程较慢，费用较高，加工工艺适用性窄，只能针对特定表面。且加工完成后的表面因微纳结构细小，强度较低，容易被破坏。此种表面的疏水特性仅对蒸汽量较低的环境适用，当蒸汽浓度增高，凝结时间增长，微纳结构中的空气被凝结液排出，间隙被填平，表面将失去疏水性，凝结换热能力显著恶化。
2、化学改性：疏水颗粒附着法可获得极高的疏水性，但存在附着力有限的缺陷，颗粒容易在外力作用下脱落，从而使表面失去疏水性。并且尽管此种表面可获得较大接触角，但液滴难以在表面上受重力作用滑动，会造成凝结液难以排开的效果，从而恶化凝结换热能力。直接在凝结表面使用化学接枝的方法可以避免脱落问题，但现有的常见疏水接枝工艺使用的改性组份均为小分子，凝结液难以滑动和排开的问题依然存在。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种疏水性纳米草的制备方法，采用两步化学改性方法，将柔性长链疏水高分子材料接枝到凝结表面，在饱和蒸汽环境下在凝结表面可形成珠状凝结。
为解决上述技术问题，本发明提供一种疏水性纳米草的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，基底的预处理：依次使用丙酮、超纯水和乙醇对基底表面进行清洗，获得干净表面；
步骤二，基底表面的乙烯基修饰：将乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯混合后溶于乙醇溶液中，搅拌均匀，并用稀盐酸调节pH值，然后将预处理后的基底浸入上述溶液中，完成表面的乙烯基修饰；
步骤三，乙烯基修饰后的基底表面的化学接枝：将聚二甲基硅氧烷和交联剂溶解在甲苯中，然后修饰有乙烯基的基底表面浸入其中，然后取出沥干，升温烘干，完成聚二甲基硅氧烷与乙烯基的交联，即在基底表面形成纳米草；
步骤四，纳米草的均匀化处理：将二甲基硅油溶于甲苯中，然后涂刷在步骤三获得的纳米草上，使二甲基硅油填充在聚二甲基硅氧烷的柔性长链之间，形成光滑连续均匀的纳米草涂层。
进一步，步骤二中，原硅酸四乙酯溶于乙醇溶液的质量分数为0.1%～10%，乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯的质量比为(1:10) ～(2:1)；乙醇溶液中：水与无水乙醇的体积比为1:4。
进一步，步骤二中，基底浸泡温度为25～60度，浸泡时间为0.5～2小时。
进一步，步骤二中，采用稀盐酸调节的pH值为3-5。
进一步，步骤三中，聚二甲基硅氧烷溶于甲苯的质量分数为0.5%～10%，交联剂与聚二甲苯硅氧烷的质量比为(1:20) ～(1:10)。
进一步，步骤三中，烘干条件为：烘干温度为40～150度，烘干时间为1～4小时。
进一步，步骤四中，二甲基硅油的粘度为0.5～500mPa-s，溶于甲苯的质量百分数为0.05%～10%。
本发明所达到的有益技术效果：本发明提供一种疏水性纳米草的制备方法，该方法首先采用带有特定官能团的硅烷，对基底表面进行化学改性，然后将长链柔性疏水分子与交联剂混合，涂刷于改性后的表面，由硅烷带来的特定官能团可在交联剂的作用与长链柔性疏水分子反应，从而将长链分子接枝在基底表面；最后，向柔性分子之间填充润滑剂，得到连续光滑的疏水涂层。因为长链分子在基底表面连续排布，如地面上覆盖了草坪一般，故简称之为纳米草涂层。若将当纳米草涂层附着在冷凝管表面，凝结换热效果得到显著增强，其原理为：1.被处理附着有纳米草涂层的冷凝管表面呈疏水特性，水蒸气凝结后无法浸润表面形成液膜，所以凝结模式为珠状凝结，其换热系数显著高于膜状凝结；2.纳米草涂层表面的水珠在重力作用下迅速滑动、合并、脱落，从而离开凝结表面。这一过程导致凝结表面被液滴覆盖的面积和时间都有效减少，保证了凝结换热能力始终处于高水平状态。而且，采用本方法可适用于不锈钢、铜、铝、石英和玻璃等多种材质表面；该纳米草涂层为柔性涂层，在外力挤压下不会像微纳结构一样因破碎而失效；纳米草均为连续涂层，不会在饱和水蒸气环境下因空洞被填满而失效。
附图说明
图1本发明之纳米草制备过程示意图；
图2本发明采用实施例方法制备的纳米草扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种疏水性纳米草的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，基底的预处理：依次使用丙酮、超纯水和酒精对基底表面进行清洗，获得干净表面；其中，丙酮和酒精均为分析纯
步骤二，基底表面的乙烯基修饰：将乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯混合后溶于乙醇溶液中，搅拌均匀，并用稀盐酸调节pH值至3-5，然后将预处理后的基底浸入上述溶液中，完成表面的乙烯基修饰；
原硅酸四乙酯溶于乙醇溶液的质量分数为0.1%～10%，乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯的质量比为(1:10) ～(2:1)；乙醇溶液中：水与无水乙醇的体积比为1:4；基底浸泡温度为25～60度，浸泡时间为0.5～2小时。
步骤三，乙烯基修饰后的基底表面的化学接枝：将聚二甲基硅氧烷和交联剂溶解在甲苯中，然后修饰有乙烯基的基底表面浸入其中，保证全部基底均被浸润即可，然后取出沥干，升温烘干，完成聚二甲基硅氧烷与乙烯基的交联，即在基底表面形成纳米草；
聚二甲基硅氧烷溶于甲苯的质量分数为0.5%～10%，交联剂与聚二甲苯硅氧烷的质量比为(1:20) ～(1:10)；烘干温度为40～150度，烘干时间为1～4小时。
步骤四，纳米草的均匀化处理：将二甲基硅油溶于甲苯中，然后涂刷在步骤三获得的纳米草上，使二甲基硅油填充在聚二甲基硅氧烷的柔性长链之间，形成光滑连续均匀的纳米草涂层。
二甲基硅油的粘度为0.5～500mPa-s，溶于甲苯的质量百分数为0.05%～10%。
作为本发明的一个实施例，步骤二中，原硅酸四乙酯溶于乙醇溶液的质量分数为5%，乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯的质量比为1:7；乙醇溶液中：水与无水乙醇的体积比为1:4；基底浸泡温度为60度，浸泡时间为45分钟；步骤三中，聚二甲基硅氧烷溶于甲苯的质量分数为5%，交联剂与聚二甲苯硅氧烷的质量比为1:20；烘干温度为80度，烘干时间为2小时；步骤四中，二甲基硅油的粘度为100mPa-s，溶于甲苯的质量百分数为5%。
制备出的疏水性纳米草，采用扫描电子显微镜（SEM）表征，结果如图2所示，其中，a为使用SEM拍摄得到的附着在硅片表面的纳米草涂层的形貌图片。图片上部的黑色区域为真空部分，下部的黑色区域为硅片基底，中间的灰白色连续薄层为纳米草涂层，厚度约为200纳米左右。因为纳米草涂层不导电，而硅片基底导电，为了得到较为清楚的纳米草涂层形貌，需将SEM图片的亮度和对比度适当调低，因此导致硅片区域呈现黑色；b为纳米草涂层在纳米尺度下的结构示意图。乙烯基硅烷水解后以化学键连接的方式固定在硅片表面，而后PDMS单体长链在聚合剂的作用下与乙烯基反应，通过乙烯基固定在基底表面。最后使用硅油填充在PDMS长链之间，使之舒展膨胀形成最终的疏水性纳米草涂层
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种疏水柔性纳米草的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，基底的预处理：依次使用丙酮、超纯水和乙醇对基底表面进行清洗，获得干净表面；
步骤二，基底表面的乙烯基修饰：将乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯混合后溶于乙醇溶液中，搅拌均匀，并用稀盐酸调节pH值，然后将预处理后的基底浸入上述溶液中，完成表面的乙烯基修饰；原硅酸四乙酯溶于乙醇溶液的质量分数为0.1%～10%，乙烯基三乙氧基硅烷与原硅酸四乙酯的质量比为(1:10) ～(2:1)；乙醇溶液中：水与无水乙醇的体积比为1:4；
步骤三，乙烯基修饰后的基底表面的化学接枝：将聚二甲基硅氧烷和交联剂溶解在甲苯中，然后修饰有乙烯基的基底表面浸入其中，然后取出沥干，升温烘干，完成聚二甲基硅氧烷与乙烯基的交联，即在基底表面形成纳米草；
步骤四，纳米草的均匀化处理：将二甲基硅油溶于甲苯中，然后涂刷在步骤三获得的纳米草上，使二甲基硅油填充在聚二甲基硅氧烷的柔性长链之间，形成光滑连续均匀的纳米草涂层。
2.根据权利要求1所述的疏水性纳米草的制备方法，其特征在于：步骤二中，基底浸泡温度为25～60度，浸泡时间为0.5～2小时。
3.根据权利要求1所述的疏水性纳米草的制备方法，其特征在于：步骤二中，采用稀盐酸调节的pH值为3-5。
4.根据权利要求1所述的疏水性纳米草的制备方法，其特征在于：步骤三中，聚二甲基硅氧烷溶于甲苯的质量分数为0.5%～10%，交联剂与聚二甲苯硅氧烷的质量比为(1:20) ～(1:10)。
5.根据权利要求1所述的疏水性纳米草的制备方法，其特征在于：步骤三中，烘干条件为：烘干温度为40～150度，烘干时间为1～4小时。
6.根据权利要求1所述的疏水性纳米草的制备方法，其特征在于：步骤四中，二甲基硅油的粘度为0.5～500mPa-s，溶于甲苯的质量百分数为0.05%～10%。
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