CN109127329A - 一种利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法 - Google Patents

一种利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，利用聚电解质/纳米粒子层层自组装在基体表面构筑纳米层，烧结后形成纳米多孔结构，再依次经低表面能物质修饰、润滑油的覆盖后得到仿生超滑表面。本发明提供一种方便简单、重复性好、不需要特殊设备的仿生超滑表面制备方法。制备得到的仿生超滑表面，可以有效阻止水滴在材料表面的滞留。

Description

一种利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的 方法
技术领域
本发明属于材料化学层层自组装制备技术领域和材料表面改性技术领域，具体是利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面。
背景技术
猪笼草的彩色唇叶由具有微观粗糙结构的亲水组分构成，表面可储存水形成一层润滑水膜，能排斥昆虫足部的粘性物质，同时表面几乎无摩擦，使停在上面的昆虫滑进底部的消化系统。
受此启发，哈佛大学Aizenberg课题组采用油相物质作为疏水面的策略，首次制备出灌注液体型多孔表面(T.S.Wong,S.H.Kang,S.K.Y.Tang,E.J.Smythe,B.D.Hatton,A.Grinthal,J.Aizenberg.Nature,2011.477(7365):443-447.)。研究者们利用硅烷化微/纳多孔结构的环氧树脂和Teflon为基材，灌注与大多数液体不混溶的化学惰性油相物质，在多孔表面形成光滑且化学均相的润滑液层，避免材料表面与污损物直接接触，具有防有机液体、低表面能液体(原油)、生物液体(血液等)、冰以及生物污损，稳定性好，能够自修复等优点，在防污、防冻和防雾、耐蚀等领域体现出良好的应用前景。
目前，固体基体上灌注液体型多孔表面的构筑较为复杂，需要通过特定的设备或复杂的工艺制备多孔表面，如光刻蚀、反应离子刻蚀、飞秒激光直写、溶胶-凝胶、电化学沉积等。中国专利CN10396641A(公开日2014.8.6)公开的一种利用人工仿生超滑表面防止金属大气腐蚀的方法，将金属铝电化学氧化制备粗糙结构，粗糙结构低表面能修饰后，结合润滑油注入的方法，仿生超滑表面，制备阻止液滴的滞留。由上述现有技术可知，在铝等活泼金属的表面构筑仿猪笼草结构已渐入佳境，但对于不活泼基体上的仿生超滑表面目前仍鲜有报道。层层自组装是利用带电基板在带相反电荷中的交替沉积制备聚电解质自组装多层膜。成分、组成、结构可控简单。通过层层自组装获得尺寸可控、孔隙可控的纳米多孔结构，为后续仿生超滑表面的设计提供结构基础，优化仿笼草超润滑表面的设计工艺，是一项有创新性的研究课题。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种对基体没有特殊要求，制备工艺简单、不需要昂贵的设备的仿生超滑表面的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，具体技术路线如下：
一种利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于，利用聚电解质/纳米粒子层层自组装在基体表面构筑纳米层，烧结后形成纳米多孔涂层，再依次经低表面能物质修饰、润滑油的覆盖后得到仿生超滑表面。
包括如下步骤：
(1)以表面带有电荷的聚电解质为构筑单元，表面带有相反电荷的纳米粒子为另一构筑单元，通过层层自组装技术，在基体上构建聚电解质/纳米粒子多层膜，烧结后形成纳米多孔结构；
(2)以全氟硅烷为表面修饰剂，对步骤(1)处理后的基体表面进行修饰；
(3)将全氟油滴加至经步骤(2)修饰后的基体表面，直至基体表面全部被全氟油液膜覆盖，再倾斜90°放置12h后移除表面多余全氟油，得到仿生超滑表面。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中包括以下步骤：
(a)对基体进行活化处理；
(b)将基体依次在带电荷的聚电解质的溶液和带有相反电荷的纳米粒子溶液中浸泡，每次浸泡结束后冲洗并吹干再放入下一个溶液中浸泡；
(c)重复步骤(b)，生长多层膜至理想层数；(d)对步骤(c)处理后的样品，进行烧结处理。
作为上述技术方案的改进，所述步骤(a)中，所述的基体包括钢铁、铝及其铝合金、硅片、陶瓷、玻璃或塑料；所述的活化处理工艺包括紫外处理、氧等离子体处理、食人鱼溶液处理；经过活化处理之后，样品表面带有负电荷。
作为上述技术方案的改进，所述步骤(b)中，将基体依次在带电荷的聚电解质的溶液和带有相反电荷的纳米粒子溶液中浸泡，保证两种溶液所带的电荷性质相反即可；可能的组合有：基体/(阳离子聚电解质/带负电的纳米粒子)n，基体/阳离子聚电解质(阴离子聚电解质/带正电的纳米粒子)n，基体/阳离子聚电解质(带负电的纳米粒子/带正电的纳米粒子)n，基体/(阳离子聚电解质/带负电的纳米粒子)n/(带正电的纳米粒子/阴离子聚电解质)m；n、m为各自独立的任意整数。
作为上述技术方案的改进，所述的带正电荷的聚电解质来源于碱性高分子，包括但不仅壳聚糖、聚乙烯亚胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、聚丙烯酰胺；所述的带电荷的聚电解质溶液可为浓度为0.1～100mg/mL的带正电荷的聚电解质溶解于去离子水或者pH＝8.5的Tris溶液中所形成的溶液。
作为上述技术方案的改进，所述的带负电荷的聚电解质来源于酸性高分子，包括透明质酸、聚丙烯酸、聚苯乙烯磺酸钠、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸聚乙醇酸共聚物；所述的带有相反电荷的纳米粒子溶液可为带负电荷的聚电解质溶解于去离子水中形成的浓度为0.1～100mg/mL的溶液，pH＝7～13；所述的带负电荷的纳米粒子是酸性氧化物，包括但不限于二氧化硅、二氧化钛、三氧化钨；所述的带负电荷的纳米粒子的粒径为10～100nm。
作为上述技术方案的改进，所述的带正电荷的纳米粒子是碱性氧化物，包括但不限于氧化镁、四氧化三铁、氧化铜、氧化锌；所述的带正电荷的纳米粒子的粒径为10～100nm；所述的带有相反电荷的纳米粒子溶液可为带正电荷的纳米粒子溶解于去离子水中，浓度为0.1～100mg/mL，pH＝7～10。
作为上述技术方案的改进，所述步骤(c)中层层自组装的参数：组装时间1～30min，组装层数1～20层。
作为上述技术方案的改进，所述步骤(2)配置体积百分比浓度为0.1～5％的硅烷/醇溶液，将表面构筑纳米多孔涂层的基体浸入到上述溶液中，5～60min后取出。所述的硅烷表面能很低，包括十八烷基三氯硅烷，(3-氨丙基)三乙氧基硅烷，1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷，1H，1H，2H，2H-十七氟癸基三甲氧基硅烷，1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷等。所述的醇选自甲醇、乙醇、异丙醇等。进一步优选，所述的硅烷选自1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷，所述的醇选自乙醇，所述的全氟癸基三乙氧基硅烷/乙醇溶液的体积百分比浓度为1～2％，反应时间20～40min。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，取出后在100～150℃的环境中处理30-90min。进一步优选，反应温度为110～130℃，反应时间60min。
作为上述技术方案的改进，所述步骤(3)中，全氟油为含-(CF2)n-O-(CF2)m-的常温不挥发液体。n、m为各自独立的任意整数。经上述方法制备，在毛细作用和范德华力的作用下，全氟油可以稳定的存在于基体表面，进而形成一层稳定的、连续的光滑液膜，即仿生超滑表面。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：通过本发明的方式可以在任意形状的任意材料上制备人工仿生超滑表面。本发明工艺简单易控、成本低廉、快速高效、不需要特定的设备。制备得到的仿生超滑表面可以有效阻止液体在材料表面的滞留。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例1中聚二甲基二烯丙基氯化铵和纳米二氧化硅层层自组装形成的多孔表面；图2是水滴在本发明实施例1中制备的仿生超滑表面上滑移过程。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
实施例1
(1)基体表面清洗：以不锈钢为基体，加工成所需要的尺寸，抛磨至镜面后，依次利用丙酮、酒精、去离子水清洗，氮气吹干待用。
(2)基体表面活化：采用氧等离子体对基体表面进行处理，使表面带负电，有利于后续反应的进行。氧等离子体处理时间为1min。
(3)配置3mg/mL的聚二甲基二烯丙基氯化铵溶液50mL(阳离子聚电解质)和1mg/mL二氧化硅溶液(pH＝10)(粒径25nm)50mL(带负电荷的纳米粒子)。
(4)将步骤(2)处理后的不锈钢基体，依次泡在聚二甲基二烯丙基氯化铵溶液和二氧化硅溶液中，在两个溶液中分别浸泡15min，每次结束后用去离子水冲洗3次，并用氮气吹干，该循环过程每循环一次为生长一个双层。
(5)重复步骤(4)，生长得到5层聚电解质-二氧化硅纳米层，即不锈钢基体/(聚二甲基二烯丙基氯化铵/二氧化硅纳米粒子)5。
(6)对步骤(5)处理后的样品，进行真空烧结处理，烧结温度500℃，烧结时间2h。
(7)表面修饰：将步骤(6)处理后的样品在1％v/v的1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡15min，取出后在120℃的环境中处理60min。
(8)油相物质的覆盖：将全氟油滴加至经步骤(7)修饰后的基体表面，直至基体表面全部被全氟油液膜覆盖，再倾斜90°放置12h后移除表面多余全氟油。
(9)在毛细作用和范德华力的作用下，全氟油可以稳定的存在于不锈钢表面，进而形成一层稳定的、连续的光滑液膜，即仿生超滑表面。
本实施例证实一种利用聚电解质/纳米粒子层层自组装-润滑油注入在不锈钢表面制备人工仿生超滑表面。
实施例2
(1)基体表面清洗：以玻璃为基体，加工成所需要的尺寸，依次利用丙酮、酒精、去离子水清洗，氮气吹干待用。
(2)基体表面活化：采用食人鱼刻蚀液(浓H2SO4：30％H2O2＝7:3)对基体表面进行处理，使表面带负电荷，有利于后续反应的进行。采用工艺参数为活化温度85℃，活化时间30min，去离子水清洗，氮气吹干待用。
(3)配置1mg/mL的聚乙烯亚胺Tris溶液(pH＝8.5)50mL，1mg/mL的透明质酸溶液50mL和1mg/mL氧化锌溶液(pH＝7.3)50mL。
(4)将步骤(2)处理后的玻璃，泡在聚乙烯亚胺Tris溶液，使表面带正电荷，浸泡时间15min，去离子水冲洗3次，氮气吹干待用。
(5)将步骤(4)处理后的玻璃依次泡在透明质酸溶液(阴离子聚电解质)和氧化锌溶液(带正电荷的纳米粒子)中，在两个溶液中分别浸泡15min，每次结束后用去离子水冲洗3次，并用氮气吹干，该循环过程每循环一次为生长一个双层。
(6)重复步骤(5)5次，生长得到玻璃/聚乙烯亚胺(透明质酸/氧化锌纳米粒子)5的多孔纳米层。
(7)对步骤(6)处理后的样品，进行真空烧结处理，烧结温度300℃，烧结时间2h。
(8)表面修饰：将步骤(7)处理后的样品在1％v/v的1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡15min，取出后在120℃的环境中处理60min。
(9)油相物质的覆盖：将全氟油滴加至经步骤(8)修饰后的基体表面，直至基体表面全部被全氟油液膜覆盖，再倾斜90°放置12h后移除表面多余全氟油。
(10)在毛细作用和范德华力的作用下，全氟油可以稳定的存在于玻璃表面，进而形成一层稳定的、连续的光滑液膜，即仿生超滑表面。
本实施例证实一种利用聚电解质/纳米粒子层层自组装-润滑油注入在玻璃表面制备人工仿生超滑表面。
实施例3
(1)基体表面清洗：以铝为基体，加工成所需要的尺寸，抛磨除去表面的氧化膜，氮气吹干待用。
(2)基体表面活化：采用紫外照射对基体表面进行处理30min，以增加材料表面的活性，有利于后续反应的进行。
(3)配置1mg/mL的聚乙烯亚胺Tris溶液(pH＝8.5)50mL，1mg/mL二氧化硅溶液(pH＝10)50mL，1mg/mL的透明质酸溶液50mL和1mg/mL氧化锌溶液(pH＝7.3)50mL。
(4)将步骤(2)处理后的不锈钢基体，依次泡在聚乙烯亚胺Tris溶液和二氧化硅溶液中，在两个溶液中分别浸泡15min，每次结束后用去离子水冲洗3次，并用氮气吹干，该循环过程每循环一次为生长一个双层。
(5)重复步骤(4)2次，得到铝基体/(聚乙烯亚胺/二氧化硅纳米粒子)2。
(6)将步骤(5)处理后的样品，泡在聚乙烯亚胺Tris溶液，使表面带正电荷，浸泡时间15min，去离子水冲洗3次，氮气吹干待用。
(7)将步骤(6)处理后的玻璃依次泡在透明质酸溶液(阴离子聚电解质)和氧化锌溶液(带正电荷的纳米粒子)中，在两个溶液中分别浸泡15min，每次结束后用去离子水冲洗3次，并用氮气吹干，该循环过程每循环一次为生长一个双层。
(8)重复步骤(7)2次，生长得到铝基体/(聚乙烯亚胺/二氧化硅纳米粒子)2/聚乙烯亚胺/(透明质酸/氧化锌纳米粒子)2的多孔纳米层。
(9)对步骤(8)处理后的样品，进行真空烧结处理，烧结温度500℃，烧结时间2h。
(10)表面修饰：将步骤(9)处理后的样品在1％v/v的1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡15min，取出后在120℃的环境中处理60min。
(11)油相物质的覆盖：将全氟油滴加至经步骤(10)修饰后的基体表面，直至基体表面全部被全氟油液膜覆盖，再倾斜90°放置12h后移除表面多余全氟油。
(12)在毛细作用和范德华力的作用下，全氟油可以稳定的存在于不锈钢表面，进而形成一层稳定的、连续的光滑液膜，即仿生超滑表面。
本实施例证实一种利用聚电解质/纳米粒子层层自组装-润滑油注入在铝表面制备人工仿生超滑表面。
上述实施例证实一种利用层层自组装多孔表面-表面修饰-润滑油覆盖三步法在任意基体表面制备仿生超滑表面，水滴与所获得超润滑表面间摩擦阻力很小，很容易从表面滑落。因此该表面可有效阻止水滴的滞留，可以实现表面防护和自清洁等。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以表面带有电荷的聚电解质为构筑单元，表面带有相反电荷的纳米粒子为另一构筑单元，通过层层自组装技术，在基体上构建聚电解质/纳米粒子多层膜，烧结后形成纳米多孔结构；
(2)以全氟硅烷为表面修饰剂，对步骤(1)处理后的基体表面进行修饰；(3)将全氟油滴加至经步骤(2)修饰后的基体表面，直至基体表面全部被全氟油液膜覆盖，再倾斜90°放置12h后移除表面多余全氟油，得到仿生超滑表面。
2.如权利要求1所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述步骤(1)中包括以下步骤：
(a)对基体进行活化处理；
(b)将基体依次在带电荷的聚电解质的溶液和带有相反电荷的纳米粒子溶液中浸泡，每次浸泡结束后冲洗并吹干再放入下一个溶液中浸泡；
(c)重复步骤(b)，生长多层膜至理想层数；(d)对步骤(c)处理后的样品，进行烧结处理。
3.如权利要求2所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述步骤(a)中，所述的基体包括钢铁、铝及其铝合金、硅片、陶瓷、玻璃或塑料；所述的活化处理工艺包括紫外处理、氧等离子体处理、食人鱼溶液处理；经过活化处理之后，样品表面带有负电荷。
4.如权利要求2所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述步骤(b)中，将基体依次在带电荷的聚电解质的溶液和带有相反电荷的纳米粒子溶液中浸泡，保证两种溶液所带的电荷性质相反即可；可能的组合有：基体/(阳离子聚电解质/带负电的纳米粒子)n，基体/阳离子聚电解质(阴离子聚电解质/带正电的纳米粒子)n，基体/阳离子聚电解质(带负电的纳米粒子/带正电的纳米粒子)n，基体/(阳离子聚电解质/带负电的纳米粒子)n/(带正电的纳米粒子/阴离子聚电解质)m；n、m为各自独立的任意整数。
5.如权利要求4所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述的带正电荷的聚电解质来源于碱性高分子，包括壳聚糖、聚乙烯亚胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、聚丙烯酰胺；所述的带电荷的聚电解质溶液可为浓度为0.1～100mg/mL的带正电荷的聚电解质溶解于去离子水或者pH＝8.5的Tris溶液中所形成的溶液。
6.如权利要求4所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述的带负电荷的聚电解质来源于酸性高分子，包括透明质酸、聚丙烯酸、聚苯乙烯磺酸钠、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸聚乙醇酸共聚物；所述的带有相反电荷的纳米粒子溶液可为带负电荷的聚电解质溶解于去离子水中形成的浓度为0.1～100mg/mL的溶液，pH＝7～13；所述的带负电荷的纳米粒子是酸性氧化物，包括但不限于二氧化硅、二氧化钛、三氧化钨；所述的带负电荷的纳米粒子的粒径为10～100nm；所述的带正电荷的纳米粒子是碱性氧化物，包括但不限于氧化镁、四氧化三铁、氧化铜、氧化锌；所述的带正电荷的纳米粒子的粒径为10～100nm；所述的带有相反电荷的纳米粒子溶液可为带正电荷的纳米粒子溶解于去离子水中，浓度为0.1～100mg/mL，pH＝7～10。
7.如权利要求2所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述步骤(c)中层层自组装的参数：组装时间1～30min，组装层数1～20层。
8.如权利要求1所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述步骤(2)配置体积百分比浓度为0.1～5％的硅烷/醇溶液，将表面构筑纳米多孔涂层的基体浸入到上述溶液中，5～60min后取出，取出后在100～150℃的环境中处理30-90min。
9.如权利要求1所述的利用聚电解质/纳米粒子自组装制备仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，全氟油为含-(CF2)n-O-(CF2)m-的常温不挥发液体。n、m为各自独立的任意整数。
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