CN109627975A - 一种制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下光学窗口防污的方法，具体为一种制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法。首先将聚二甲基硅氧烷(PDMS)低聚物与固化剂混合制备交联的PDMS网络结构，然后将PDMS网络结构浸入正构烷烃中，进而形成仿生超滑表面。该仿生超滑表面的润滑油膜消失后，会重新生成润滑油膜，且可以抑制细菌附着和水下具有高透光率。该发明制备方法简单，设备简单，所用试剂无环境危害，可重复性高。

Description

一种制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法
技术领域
本发明涉及水下光学窗口防污的方法，具体为一种制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法。
背景技术
海洋微生物在水下光学窗口的生长和积累，会降低其透光率，进而影响水下光学传感器的精度及准确数据的获得，大大缩短它们的使用寿命。因此，科学家已研发出多种防治生物污损的方法。这些方法包括物理清除法、化学防污涂料法、光催化法等方法，但它们具有耗能多、污染重、不能及时防治污损等缺点，大大限制它们在实际中的应用。
为解决以上问题，仿生防污法作为一种新兴的防污方法受到很多研究者的关注。在2011年哈佛大学的Aizenberg研究小组首次基于猪笼草的结构制备出一种具有疏液能力的仿生超滑表面。这种传统的超滑表面是通过在多孔基质中注入润滑油而制得，但其界面受到较大破坏时会导致界面润滑油膜的破坏，进而导致表面超滑作用不复存在。
发明内容
本发明目的是提供一种制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法，首先将聚二甲基硅氧烷(PDMS)低聚物与固化剂混合制备交联的PDMS网络结构，然后将PDMS网络结构浸入正构烷烃中，进而形成仿生超滑表面。
具体为：
1)交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)的制备：将聚二甲基硅氧烷低聚物与固化剂按质量比10-12:1的方式混合，混合后搅拌均匀，而后离心去除气泡，离心后于80-100℃下固化10-12h，待用；
2)仿生超滑表面的制备：将上述获得交联聚二甲基硅氧烷沉浸到正构烷烃中，于80-160℃浸泡1-16h，而后取出溶胀的PDMS冷却至室温，即形成仿生超滑表面。
所述聚二甲基硅氧烷低聚物为含有短链不饱和烷烃基(乙烯基、丙烯基等)封端聚二甲基硅氧烷低聚物(例如Dow,Sylgard 184制备使用的乙烯基封端聚二甲基硅氧烷低聚物)；所述固化剂为含有三甲基硅烷基封端聚(二甲基硅氧烷-co-甲基氢硅氧烷)与2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷等的混合物(例如Dow,Sylgard 184制备使用的固化剂)；所述正构烷烃为正十二烷、正十四烷或正十六烷。
所述步骤1)中聚二甲基硅氧烷低聚物与固化剂混合后搅拌混合物15-30min，待混合液中充满气泡，停止搅拌；然后将混合液以4000-6000rpm的速度离心4-6min，去除混合液中的气泡；随后将离心后的混合液倒入模具中，固化后切割，待用。
一种具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面，按所述方法制备获得具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面。
一种具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的应用，所述仿生超滑表面在水下窗口防污领域中的应用。
本发明所具有的优点：
本发明仿生超滑表面通过膨胀的PDMS网络释放出长链正构烷烃实现润滑油膜的自修复，并且该超滑表面可以抑制细菌附着和水下具有很高的透光率。本发明仿生超滑表面制备方法简单，设备简单，所用试剂无环境危害，可重复性高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的水滴(3μL)在相同倾斜角度(<10°)的不同表面的动态润湿性图：a空白玻璃，b PDMS，c OG(正十二烷)，d OG(正十四烷)，e OG(正十六烷)(Scalebar＝3cm)。
图2为本发明实施例提供的空白玻璃及空白玻璃覆盖不同表面的水下光透过率图谱图，图中五条曲线从上到下依次代表的是空白玻璃、OG(正十二烷)、OG(正十四烷)、OG(正十六烷)和PDMS表面在水下光透过率。
图3为本发明实施例提供的不同仿生超滑表面出油速率对比图(Scale bar＝200μm)，其中，纵向a、b、c分别为a OG(正十二烷)，b OG(正十四烷)，c OG(正十六烷)；横向1、2、3、4分别为1.仿生超滑表面润滑油膜，2.表面油膜被吸油纸擦干，3.擦干操作1h后，4.擦干操作2h后。
具体实施例方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
本发明利用膨胀的PDMS交联网络释放长链正构烷烃制备得到具有润滑油膜自修复性能的超滑表面，并且该超滑表面在水下具有很高的透光率，为有效解决水下窗口玻璃的生物污损问题提供了一种方法。该发明制备方法简单，设备简单，所用试剂无环境危害，可重复性高。具体为将聚二甲基硅氧烷(PDMS)低聚物与固化剂混合制备交联的PDMS网络结构，然后将PDMS网络结构浸入正构烷烃制备仿生超滑表面；该仿生超滑表面的润滑油膜消失后，会重新生成润滑油膜，且可以抑制细菌附着和水下具有高透光率。
实施例1
1)交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)的制备：将聚二甲基硅氧烷低聚物与固化剂按质量比10:1的方式混合，随后用玻璃棒搅拌混合物20min，待混合液中充满气泡，停止搅拌；然后将反应后的混合液以4500rpm的速度离心6min，去除混合液中的气泡；随后将离心后的混合液倒入玻璃模具中，水平放入烘箱中在80℃下固化12h；固化后，在超净台中，将固化后的PDMS切割成1cm×2cm的小块，以备使用。
其中，所述聚二甲基硅氧烷低聚物为含有短链不饱和烷烃基(乙烯基、丙烯基等)封端聚二甲基硅氧烷低聚物，本实施例选用乙烯基封端聚二甲基硅氧烷低聚物(购自Dow，CAS号68083-19-2)；所述固化剂为含有三甲基硅烷基封端聚(二甲基硅氧烷-co-甲基氢硅氧烷)与2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷等的混合物(购自Dow，其中，三甲基硅烷基封端聚(二甲基硅氧烷-co-甲基氢硅氧烷)CAS号68037-59-2，2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷CAS号2554-06-5)；进一步的说，聚二甲基硅氧烷低聚物与固化剂按质量比10:1的方式混合(可按照Dow,Sylgard 184中记载获得混合物作为标准混合物)所述正构烷烃为正十二烷、正十四烷或正十六烷。
2)仿生超滑表面的制备:将切割好的PDMS沉浸到正构烷烃中，温度设置为160℃，PDMS浸泡于正构烷烃中6h，烷烃可以扩散进入PDMS网络结构，且在160℃下可加快烷烃扩散，最后将溶胀的PDMS从正构烷烃中拿出，冷却至室温，即于PDMS表面形成超滑表面(参见图1-3)。其中，正构烷烃为正十二烷、正十四烷或正十六烷，它们的熔点低于室温，在室温下为液态。
通过接触角测量仪测定水滴在倾斜的超滑表面的滑动性，具体为：将水滴(3μl)滴在倾斜度小于10°的倾斜超滑表面，然后用接触角测量仪记录液滴在表面滑动一段时间后的距离。
由图1可知，0-5s内，水滴在空白玻璃表面和PDMS表面基本上没有移动，但在浸泡正构烷烃后的PDMS具有优异的滑动性。并且水滴在正十二烷、正十四烷和正十六烷浸泡后的PDMS表面的滑动速度逐渐降低，这是由于较短链的烷烃具有较低的粘度及PDMS表面具有较高含量的较短链的烷烃。
将上述OG覆盖在玻璃表面、PDMS覆盖在玻璃表面以及空白玻璃表面，分别经紫外分光光度计进行水下光透过率的测定，具体为：保持所有样品的厚度都为10mm，将其沉浸在蒸馏水中，通过紫外分光光度计测定300-800nm波长范围内的水下光透过率。
由图2通过对比空白玻璃及覆盖PDMS膜后玻璃的透光率，可知覆盖PDMS后的玻璃试样的透光率降低，但覆盖OG试样的玻璃表面的透光率要高于覆盖PDMS后的玻璃试样，这主要是由于烷烃的折射率更接近于光透过水和玻璃体系的最大透过率时的折射率；
将上述OG分别经吸油纸除去表面的润滑剂，通过光学显微镜测定不同仿生超滑表面的出油速率，具体为：分别利用吸油纸除去表面的润滑剂，然后经过一段时间，利用光学显微镜观察和记录OG表面烷烃的释放过程。
由图3可见润滑油膜擦干以后，经过1h和2h后，不同正构烷烃浸泡的OG表面都有烷烃的释放，并且OG表面烷烃的释放速率随着烷烃链长的增加而降低。
由上述可见本发明利用PDMS交联结构释放润滑油的方法制备得到了具有自修复性能的超滑表面，该表面在水下具有高透光率，且能够抑制细菌的附着。因此，该方法制备得到的超滑表面有望利用到水下窗口防污领域。

Claims (6)

1.一种制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法，其特征在于：首先将聚二甲基硅氧烷(PDMS)低聚物与固化剂混合制备交联的PDMS网络结构，然后将PDMS网络结构浸入正构烷烃中，进而形成仿生超滑表面。
2.按权利要求1所述的制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法，其特征在于：
1)交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)的制备：将聚二甲基硅氧烷低聚物与固化剂按质量比10-12:1的方式混合，混合后搅拌均匀，而后离心去除气泡，离心后于80-100℃下固化10-12h，待用；
2)仿生超滑表面的制备：将上述获得交联聚二甲基硅氧烷沉浸到正构烷烃中，于80-160℃浸泡1-16h，而后取出溶胀的PDMS冷却至室温，即形成仿生超滑表面。
3.按权利要求1或2所述的制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷低聚物为含有短链不饱和烷烃基(乙烯基、丙烯基等)封端聚二甲基硅氧烷低聚物(例如Dow,Sylgard 184制备使用的乙烯基封端聚二甲基硅氧烷低聚物)；所述固化剂为含有三甲基硅烷基封端聚(二甲基硅氧烷-co-甲基氢硅氧烷)与2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷等的混合物(例如Dow,Sylgard 184制备使用的固化剂)；所述正构烷烃为正十二烷、正十四烷或正十六烷。
4.按权利要求2所述的制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的方法，其特征在于：所述步骤1)中聚二甲基硅氧烷低聚物与固化剂混合后搅拌混合物15-30min，待混合液中充满气泡，停止搅拌；然后将混合液以4000-6000rpm的速度离心4-6min，去除混合液中的气泡；随后将离心后的混合液倒入模具中，固化后切割，待用。
5.一种权利要求1所述的制备具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面，其特征在于：按权利要求1的方法制备获得具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面。
6.一种权利要求5所述的具有自修复性能的高透光率的仿生超滑表面的应用，其特征在于：所述仿生超滑表面在水下窗口防污领域中的应用。
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