CN109293933B - 基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法 - Google Patents

基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属有机骨架材料制备技术，尤其涉及一种基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法，其属于新材料合成技术领域。一种基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法，包括如下步骤：(1)ZIF‑8的制备；(2)ZIF‑8‑POTS的制备；(3)ZIF‑8‑POTS‑PDMS的制备：将小烧杯放置在电子天平上，称取1g的PDMS，再加入0.1g固化剂，倒入2ml乙酸乙酯，超声10分钟使其均匀。与现有技术相比，本发明通过添加环保无毒PDMS并不断优化PDMS配制比例，形成超疏水材料，广泛应用于防污自洁、低温冷冻涂层技术领域。

Description

基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属有机骨架材料制备技术，尤其涉及一种基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法，其属于新材料合成技术领域。
背景技术
金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks，MOFs)是一种多孔且程周期性骨架的高分子聚合物。由金属离子和有机配体通过配位键组装而成。目前，MOFs因其具有极度有序排列的孔隙、超大比表面积、材料的结构易修饰等特点，在作为模板构建其它多孔材料等方面具有特殊优势。
沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)是一类同时具有沸石骨架与金属有机骨架双重优点的骨架材料。由于沸石咪唑酯骨架材料的单元键比传统的沸石单元键长，因此沸石咪唑酯骨架材料既具有沸石材料的高稳定性也具有MOFs材料的高度排列序有的孔隙、大比表面积、结构与功能可调控性，因此ZIFs材料在防护与应用领域具有极高的研究意义和广泛的开发前景。
受到荷叶疏水的启发，尝试研制出一种类荷叶具有超疏水自清洁功能的表面。目前，超疏水表面通常指的是水的静态接触角大于150°且滚动角小于10°的表面，使用溶胶凝胶法对沸石咪唑酯骨架材料进行修饰获得具有超疏水表面材料。
发明内容
本发明提供一种基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法。
一种基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法，包括如下步骤：(1)ZIF-8的制备：利用水相合成法快速合成ZIF-8，将1.17g六水合硝酸锌加入8ml水中充分溶解以等待备用，将22.7g二甲基咪唑加入到80ml水中充分溶解，22℃的环境温度下将溶解好的六水合硝酸锌加入到溶解好的二甲基咪唑中，使用恒温加热磁力搅拌器将其持续搅拌20小时，所得产物用离心机以8000r/min的转速进行20分钟的离心处理，倒掉上清液后用少量的水清洗两次然后放入65℃的真空干燥箱中真空干燥、倒入研钵充分研磨后制得白色ZIF-8粉末，(2)ZIF-8-POTS的制备：取200mg步骤(1)制备好的ZIF-8倒入洁净的试管中，加入2ml乙醇，再加入12ul的全氟辛基三甲氧基硅烷(POTS)，混合后放入超声波清洗器超声8-12分钟使其充分混合均匀，放入65°的真空干燥箱中真空干燥，倒入研钵、充分研磨制得ZIF-8-POTS，(3)ZIF-8-POTS-PDMS的制备：将小烧杯放置在电子天平上，称取1g的PDMS，再加入0.1g固化剂，倒入2ml乙酸乙酯，超声10分钟使其均匀，配制成0.5g/ml的PDMS，取0.4ml配置好的0.5g/ml PDMS加入5ml的乙酸乙酯配制成0.04g/ml的PDMS混合完毕制成PDMS溶液，取制备好的40mg ZIF-8-POTS加入到PDMS溶液配制成40mg/ml的ZIF-8-POTS-PDMS。
进一步，固化剂为道康宁(SYLGARD)184。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过添加环保无毒PDMS并不断优化PDMS配制比例，形成超疏水材料，广泛应用于防污自洁、低温冷冻涂层技术领域。
附图说明
图1为本发明ZIF-8低倍扫描电子显微镜(SEM)图(放大倍数为10000)，
图2为本发明ZIF-8高倍扫描电子显微镜(SEM)图(放大倍数为50000)，
图3为本发明ZIF-8透射电镜分析(TEM)图，
图4为本发明ZIF-8-POTS-PDMS接触角测试图，
图5为本发明ZIF-8-POTS-PDMS滴在钢片上疏水过程图，
图6为本发明ZIF-8-POTS-PDMS浸入水杯疏水过程图，
图7为本发明ZIF-8-POTS-PDMS自清洁过程图，
图8为本发明ZIF-8-POTS-PDMS模拟污染过程图，
图9为本发明ZIF-8-POTS-PDMS抗冰对照实验图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
一种基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法，包括如下步骤：(1)利用水相合成法快速合成ZIF-8,将1.17g六水合硝酸锌加入8ml水中充分溶解以等待备用。将22.7g二甲基咪唑加入到80ml水中充分溶解。22℃的环境温度下将溶解好的六水合硝酸锌加入到溶解好的二甲基咪唑中，使用恒温加热磁力搅拌器将其持续搅拌24小时，用移液枪取出反应液，将反应液均分的注入到多个离心管，用离心机以8000r/min的转速进行20分钟的离心处理。倒掉上清液后用少量的水清洗两次然后放入65℃的真空干燥箱中真空干燥。完全干燥后取出倒入研钵，充分研磨后得到白色粉末ZIF-8。(2)取200mg制备好的ZIF-8倒入洁净的试管中，加入2ml乙醇，再加入12ul的POTS，混合后放入超声波清洗器超声10分钟使其充分混合均匀，放入65°的真空干燥箱中真空干燥，完全干燥后取出，倒入研钵，充分研磨后倒入试管并备注、标签。配制成ZIF-8-POTS。(3)将小烧杯放置在电子天平上，称取1g的PDMS,再加入0.1g固化剂，倒入2ml乙酸乙酯，超声10分钟使其均匀，配制成0.5g/ml的PDMS，取0.4ml配置好的0.5g/ml PDMS加入5ml的乙酸乙酯配制成0.04g/ml的PDMS混合完毕制成PDMS溶液，取制备好的40mg ZIF-8-POTS加入到PDMS溶液配制成40mg/ml的ZIF-8-POTS-PDMS。
将上述ZIF-8-POTS-PDMS用于疏水性实验和自清洁实验，观察其疏水性能。
预处理
实验前期要对规格统一的钢片进行预处理，先用粗砂纸对钢片与铜片进行打磨去除表面较大的污染物，再用较细的砂纸对材料表面进行预抛光打磨，预抛光打磨完毕后再使用研磨板加适量铝粉沿顺时针统一方向进行研磨抛光，抛光完毕后将其放入加入适量乙醇的小烧杯中，杯口覆盖一层保鲜膜防止其表面氧化生锈，再进行超声波清洗处理30分钟，用超纯水快速冲洗超声清洗后的钢片，清洗掉表面残留的铝粉和其它污染物。然后用吹风机迅速的吹干静置、备用。
制片
取40mg/ml的ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。
超疏水性的研究
用胶头滴管缓缓在钢片表面滴小水滴，观察到小水滴在钢片上聚成一团，保持圆球形，并没有平摊开，说明涂层有较好的疏水性。经过对接触角测量发现，40mg/ml ZIF-8-POTS-PDMS-乙酸乙酯溶液形成的超疏水表面接触角最高可达157°。我们用水滴做实验，可能因为量小无法全面判断表面碰到大面积水时的状态，所以我们采取模拟，用小镊子夹住钢片，将其轻轻放入装满水的小烧杯，这时涂层表面和液体完全接触，在我们取出时，表面一点液滴都没有蘸存，说明疏水性是非常符合我们的要求。更进一步证明我们材料具有优秀的疏水性。
自清洁性能的研究
把钢片垫在有一定倾斜角的纸片上，将粉尘均匀的铺在制得的钢片上，用胶头滴管缓缓在钢片表面滴小水滴，发现粉尘随着水滴一起滚落，和钢片表面分离的很干净利落，并没有留存，最终钢片表面在水滴的清洗下完全干净，自清洁特性十分明显。用小镊子夹住钢片，将其轻轻放入装满污浊水的小烧杯，模拟被污水洒中的物体，在小刚片拿出时，上面一点污浊也没有，还是洁净的涂层，体现了良好的自清洁功能。
抗冰冻性的研究
把制得的钢片放在板子上，同时在旁边放置一个纯钢片做空白对比，将板子放入-18℃的冰箱之中，在板子底下垫上小纸片，使得小刚片有一定的倾斜度，冷冻，在放置1小时之后，用0℃的水对两者进行滴定，发现没有涂层的钢片，小液滴直接冻在上面，而涂了ZIF-8-POTS-PDMS的钢片表面并没有液滴存留，液滴流了下去，表面干净。证明低温冰冻表面超疏水材料依旧十分有效，这个实验对材料未来在冬天防冻上面的应用提供了良好的理论依据。
对比例一
将ZIF-8-POTS溶于乙酸乙酯配制成溶液涂在小钢片上，但是粘着力十分低，出现起皮，破裂的现象，并且伴随我们做滴水实验时钢片上面的ZIF-8-POTS涂层也会随着小水滴一起脱落，效果十分差。
对比例二
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的30mgZIF-8-POTS加入到配置好的30mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。观察到小水滴在钢片上聚成一团，并没有平摊开，材料表面疏水性好，粘附性变差，自清洁性变差。
对比例三
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的30mgZIF-8-POTS加入到配置好的40mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。材料表面不发生皲裂，易脱落，疏水性差。
对比例四
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的30mgZIF-8-POTS加入到配置好的60mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。材料表面不发生皲裂，易脱落，疏水性差。
对比例五
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的38mgZIF-8-POTS加入到配置好的60mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。ZIF-8-POTS在中心聚集，PDMS散在四周。
对比例六
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的40mgZIF-8-POTS加入到配置好的20mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。材料表面发生皲裂，滴加水珠后易脱落。
对比例六
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的40mgZIF-8-POTS加入到配置好的30mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。材料表面皲裂程度减弱，滴加水珠仍易脱落。
对比例七
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的40mgZIF-8-POTS加入到配置好的60mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。材料表面不发生皲裂，易脱落。
对比例八
与实施例一不同之处在于：步骤(3)中取制备好的50mgZIF-8-POTS加入到配置好的60mg/ml PDMS溶液配制成ZIF-8-POTS-PDMS溶液。ZIF-8-POTS-PDMS溶液用超声细胞粉碎机以10W功率粉碎5分钟后超声均匀，胶头滴管缓慢的滴落在小刚片上，当其圆润饱满的平铺在小刚片表面时停止滴定，使其在室温下慢慢干燥，放置10-15分钟。材料表面此时无皲裂，但表面疏水性差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)ZIF-8的制备：利用水相合成法快速合成ZIF-8，将1.17g六水合硝酸锌加入8ml水中充分溶解以等待备用，将22.7g二甲基咪唑加入到80ml水中充分溶解，22℃下将溶解好的六水合硝酸锌加入到溶解好的二甲基咪唑中，使用恒温加热磁力搅拌器将其持续搅拌20小时，所得产物用离心机以8000r/min的转速进行20分钟的离心处理，倒掉上清液后用少量的水清洗两次然后放入65℃的真空干燥箱中真空干燥、倒入研钵充分研磨后制得白色ZIF-8粉末,(2)ZIF-8-POTS的制备：取200mg步骤(1)制备好的ZIF-8倒入洁净的试管中，加入2ml乙醇，再加入12ul的全氟辛基三甲氧基硅烷(POTS)，混合后放入超声波清洗器超声8-12分钟使其充分混合均匀，放入65°的真空干燥箱中真空干燥，倒入研钵、充分研磨制得ZIF-8-POTS，(3)ZIF-8-POTS-PDMS的制备：将小烧杯放置在电子天平上，称取1g的PDMS,再加入0.1g固化剂，倒入2ml乙酸乙酯，超声10分钟使其均匀，配制成0.5g/ml的PDMS，取0.4ml配置好的0.5g/ml PDMS加入5ml的乙酸乙酯配制成0.04g/ml的PDMS混合完毕制成PDMS溶液，取制备好的40mg ZIF-8-POTS加入到PDMS溶液配制成40mg/ml的ZIF-8-POTS-PDMS。
2.根据权利要求1所述的基于沸石咪唑酯骨架的超疏水自清洁聚合物的制备方法，其特征在于，固化剂为道康宁(SYLGARD)184。
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