CN109648879B - 一种基于pdms仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法 - Google Patents

一种基于pdms仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，属于疏水表面制备技术领域。本发明以鲨鱼皮为模板，经PDMS两次倒模得到鲨鱼皮复制品，鲨鱼皮复制品表面具有微米级沟槽结构；将PDMS鲨鱼皮复制品置于酒精灯或打火机火焰上方进行均匀燃烧处理，使燃烧时产生的纳米颗粒沉积在PDMS鲨鱼皮复制品上，使表面结构表现为微纳结构，最后进行加热处理。本发明提供的超疏水表面的制备方法，液滴接触角大于150°，滚动角小于10°，材料表现为超疏水的性质。本发明工艺简单、成本低、易于控制，在防雾防冰、自清洁、减阻、油水分离等领域具有良好的应用前景。

Description

一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，属于疏水表面制备技术领域。
背景技术
超疏水表面是指液体(通常指水)接触角大于150°，滚动角小于10°的表面，其典型的两个特点是具有特殊的微纳米结构且表面能较低。由于超疏水表面与水滴之间的接触面积极小且水滴易于从表面滚落，使得超疏水表面除具有自清洁功能外，还在防雾防冰、抗腐蚀、油水分离、流体减阻等方面具有广泛的应用价值。
制备超疏水表面必须具备两个条件：一是构造三维的微纳复合结构，这种结构可以捕捉空气，形成气垫，降低固液的接触面；二是降低固体物质的表面能，主要是由于固体表面能的降低可以使液滴在固体上滚动的阻力减少。超疏水表面应用于汽车、船舶和飞机表面可以防雾抗冰、降低表面阻力，对于提高能源利用率、减低油耗、增加航程有重要意义。
目前制备超疏水表面的方法众多，比如溶液浸泡法、化学腐蚀法和阳极氧化法等，但都存在制备工艺复杂、成本高、机械稳定性差等不足。针对于以上需求及局限性，本发明提出了一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面，对鲨鱼皮复制品进行燃烧处理，在其表面形成一层纳米结构，并与鲨鱼皮微结构相结合形成微纳结构，具有超疏水的功能。该发明提供了一种制备超疏水表面的方法，得到的超疏水表面接触角达到150°以上，具有工艺简单、成本低，基膜可以重复利用的优点。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提供了一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，该发明基于仿生学，利用PDMS复制鲨鱼皮表面微结构，并对其进行火焰燃烧处理，得到表面具备微纳双结构的超疏水表面。该表面可用于汽车、船舶、飞机表面来降低表面阻力、防止结冰，具有重要的应用价值。本装置使用范围广，具有较高的科研应用价值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，该方法主要包括PDMS仿生鲨鱼皮复制和超疏水处理两大部分。PDMS鲨鱼皮复制过程主要包括：S21，鲨鱼皮预处理；S22，PDMS进行一次倒模；S23，对PDMS一次模具进行亲水处理；S24，PDMS二次倒模；S25，得到PDMS鲨鱼皮复制品。S26超疏水处理，主要是利用燃烧装置进行均匀燃烧。
第一步：鲨鱼皮预处理；
本发明使用的是具有微结构的干鲨鱼皮，首先将干鲨鱼皮用常温水进行浸泡1-2天，将皮下组织进行处理，在处理过程中，一是要保证鲨鱼皮的厚度要均匀，二是不能破坏鲨鱼皮表面的微结构。其次，将鲨鱼皮进行刚性固定，对其清洗和干燥处理。对鲨鱼皮表面进行超声清洗，随后在50℃条件下干燥3-4小时。
第二步：PDMS鲨鱼皮一次倒模；
以预处理后的鲨鱼皮作为一次倒模的模板，将其周围用高于鲨鱼皮的挡板进行固定。将PDMS的预置剂(A胶)：凝固剂(B胶)为10:1的比例进行混合，搅拌至气泡均匀倒入鲨鱼皮培养皿中，利用真空泵将气泡抽出，待气泡消失后将培养皿置于80℃的加热板上加热30分钟，PDMS便固化成型。待凝固的PDMS降温后，用镊子将覆盖在鲨鱼皮上方的PDMS撕下便可得到鲨鱼皮一次倒模后的结构(即鲨鱼皮的反结构)。
第三步：亲水处理；
由于得到的PDMS是亲油疏水的表面，若直接进行二次倒模，油性的PDMS就会粘附在第二步得到的表面上，待凝固后不易分层撕下，便破坏了原有的微结构。故在进行二次倒模之前，对第二步得到表面进行改性处理，利用等离子处理机对具有鲨鱼皮反结构的表面进行处理20s，经处理后的表面具有亲水疏油的作用，使两层PDMS凝固后更易分层。
第四步：PDMS二次倒模；
以亲水处理后的PDMS鲨鱼皮倒模表面为复制模型，按第二步的方法进行PDMS浇筑，不同的地方是二次倒模加热凝固的时间要长，使凝固后的PDMS硬度更大些，便于剥离第二层结构，得到与鲨鱼皮相同微结构的表面。
第五步：超疏水处理；
对PDMS仿生鲨鱼皮复制品进行表面处理。将表面置于加热燃烧装置上方均匀燃烧20秒，表面会覆盖一层白色或黑色的物质。PDMS燃烧会产生二氧化硅物质，这些纳米级的二氧化硅与原本鲨鱼皮微米级结构相结合形成了具有超疏水性能的表面。为了使超疏水性能更加持久稳定，将燃烧后的PDMS仿生鲨鱼皮复制皮放60℃的烘箱内烤制20分钟。最后对得到的超疏水表面进行了静态接触角测量，经多次测量的接触角的平均值为154.3°，接触角大于150°，此方法得到的表面具有很好的超疏水性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明新颖之处在于设计了一种既可以获得鲨鱼皮结构复制品又可获得超疏水性能的表面，该超疏水表面的厚度可控而且具有高透明性，可用于汽车玻璃来防雾和清洁、飞机和船舶表面来减阻降低油耗，应用广泛。
2、本发明设计合理、结构简单、便于加工，具有高效、研究多样的特点。
3、本发明得到的鲨鱼皮一次倒模模板可以重复利用，具有成本低、工艺简单、批量生产的优点。
4、本发明进行接触角测量时，采用多次测量求平均值的方法，保证了实验的精度。
附图说明
图1是本发明获得超疏水表面液滴的静态接触角图。
图2是本发明整体的流程图。
图3是本发明PDMS鲨鱼皮结构示意主视图。
图4是本发明PDMS鲨鱼皮结构整体示意图。
图中：1.液滴，2.超疏水表面。
具体实施方式
下面结合结构附图和实施例对本发明进行详细说明。
a)为保证鲨鱼皮复制品的准确性，首先要对鲨鱼皮进行预处理。在对鲨鱼皮皮下组织进行预处理时要保证两点：一是要保证鲨鱼皮的厚度要均匀，二是不能破坏鲨鱼皮表面的微结构。
b)将鲨鱼皮皮下组织处理之后，要对鲨鱼皮进行超声清洗和干燥处理。在干燥处理时，要对鲨鱼皮进行刚性固定，避免其在干燥过程中发生变形。若有剩余不用的鲨鱼皮，要浸泡在福尔马林溶液中，防止其腐烂变质。
c)第一次倒模复制时，以预处理后的鲨鱼皮作为一次倒模的模板，将其周围用高于鲨鱼皮的挡板进行固定，避免PDMS溶液溢出，浪费材料。挡板的高度可以调节，利用不同高度的挡板制作不同厚度的模型。
d)为避免第二次倒模复制时PDMS溶液与原本的模型凝固在一起，在进行第二次复制时，对模型表面进行亲水疏油改性处理，以保证两层PDMS更易分层，便于剥离，得到复制性很好的微结构表面。
e)对PDMS仿生鲨鱼皮表面进行燃烧超疏水处理。燃烧处理时，将PDMS仿生鲨鱼皮表面置于火焰外焰上方2-5mm处，燃烧20-30秒。
f)对超疏水表面进行静态接触角测量。采用多次测量求平均值的方法，保证了实验的精度。经测量该方法可获得接触角为154.3°的超疏水表面。

Claims (4)

1.一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，其特征在于：第一步：鲨鱼皮预处理；
本方法使用的是具有微结构的干鲨鱼皮，首先将具有微结构的干鲨鱼皮用常温水进行浸泡1-2天，将浸泡后的具有微结构的鲨鱼皮的皮下组织进行处理，在处理过程中，一是要保证浸泡后的具有微结构的鲨鱼皮的厚度要均匀，二是不能破坏具有微结构的鲨鱼皮表面的微结构；其次，将浸泡后的具有微结构的鲨鱼皮进行刚性固定，对其清洗和干燥处理；对浸泡后的具有微结构的鲨鱼皮表面进行超声清洗，随后在50℃条件下干燥3-4小时；
第二步：PDMS鲨鱼皮一次倒模；
以预处理后的鲨鱼皮作为一次倒模的模板，将其周围用高于鲨鱼皮的挡板进行固定；将PDMS的预置剂作为A胶，凝固剂作为B胶，A胶：B胶为10:1的比例进行混合，搅拌至气泡均匀倒入鲨鱼皮培养皿中，利用真空泵将气泡抽出，待气泡消失后将培养皿置于80℃的加热板上加热30分钟，PDMS便固化成型；待凝固的PDMS降温后，用镊子将覆盖在鲨鱼皮上方的PDMS撕下便可得到鲨鱼皮一次倒模后的结构即鲨鱼皮的反结构；
第三步：亲水处理
由于得到的PDMS是亲油疏水的表面，若直接进行二次倒模，油性的PDMS就会粘附在第二步得到的表面上，待凝固后不易分层撕下，便破坏了原有的微结构；故在进行二次倒模之前，对第二步得到表面进行改性处理，利用等离子处理机对具有鲨鱼皮反结构的表面进行处理20秒，经处理后的表面具有亲水疏油的作用，使两层PDMS凝固后更易分层；
第四步：PDMS二次倒模
以亲水处理后的PDMS鲨鱼皮一次倒模后表面为复制模型，按第二步的方法进行PDMS浇筑，不同的地方是二次倒模加热凝固的时间要长，使凝固后的PDMS硬度更大些，便于剥离第二层结构，得到与鲨鱼皮相同微结构的表面；
第五步：超疏水处理
对PDMS仿生鲨鱼皮复制品进行表面处理；将表面置于燃烧装置上方均匀燃烧20秒，表面会覆盖一层白色或黑色的物质；PDMS燃烧会产生二氧化硅物质，这些纳米级的二氧化硅与原本鲨鱼皮微米级结构相结合形成了具有超疏水性能的表面；为了使超疏水性能更加持久稳定，将燃烧后的PDMS仿生鲨鱼皮复制品放60℃的烘箱内烤制20分钟；最后对得到的超疏水表面进行了静态接触角测量，经多次测量的接触角的平均值为154.3°，接触角大于150°，此方法得到的表面具有很好的超疏水性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，其特征在于：a)为保证鲨鱼皮复制品的准确性，首先要对鲨鱼皮进行预处理；在对鲨鱼皮皮下组织进行预处理时要保证两点：一是要保证鲨鱼皮的厚度要均匀，二是不能破坏鲨鱼皮表面的微结构；b)将鲨鱼皮皮下组织处理之后，要对鲨鱼皮进行超声清洗和干燥处理；在干燥处理时，要对鲨鱼皮进行刚性固定，避免其在干燥过程中发生变形；若有剩余不用的鲨鱼皮，要浸泡在福尔马林溶液中，防止其腐烂变质。
3.根据权利要求1所述的一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，其特征在于：第一次倒模复制时，以预处理后的鲨鱼皮作为一次倒模的模板，将其周围用高于鲨鱼皮的挡板进行固定，避免PDMS溶液溢出，浪费材料；挡板的高度能够调节，利用不同高度的挡板制作不同厚度的模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法，其特征在于：为避免第二次倒模复制时PDMS溶液与原本的模型凝固在一起，在进行第二次复制时，对模型表面进行亲水疏油改性处理，以保证两层PDMS更易分层，便于剥离，得到复制性很好的微结构表面；对PDMS仿生鲨鱼皮表面进行燃烧超疏水处理；燃烧处理时，将PDMS仿生鲨鱼皮表面置于燃烧装置火焰外焰上方2-5mm处，燃烧20-30秒。
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