CN109679128A - 一种实现材料表面超疏水性的二级微结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现材料表面超疏水性的二级微结构的制备方法，在基体上用硅胶材料制备一级微结构表面，将制备好的一级微结构浸泡在氢氧化钠溶液中；取出后，分别用无水乙醇，去离子水超声清洗，把基体上残余的氢氧化钠溶液完全去除；用鼓风干燥箱对基体进行烘干处理；制得符合要求的超疏水性二级微结构薄膜。本发明的制备方法利用氢氧化钠溶液制备二级微结构，工艺简单，反应条件温和，原料易取得，不会造成二次污染，且成本较低。

Description

一种实现材料表面超疏水性的二级微结构的制备方法
技术领域
本发明涉及基体表面处理技术领域，特别涉及材料表面超疏水性的二级微结构的制备方法。
背景技术
超疏水表面由于其优异的防水性能，在国防、农业、工业生产和日常生活中有着广泛的应用前景，例如防止积雪、防雾、防污、防腐、自清洁、实现油水分离等。研究表明，材料表面的超疏水特性由材料表面微观结构和表面自由能共同决定，含有一定微纳米结构的低表面能材料可以极大地提高材料的超疏水性能。因此，在低表面能的材料表面构建超疏水微观结构，或在已经具有超疏水微观结构的表面上进行化学修饰降低其表面能成为了制备超疏水表面的重要方法。
而相对于单一尺度的微观结构，例如西瓜叶、蝴蝶的眼角膜等，具有分级复合微纳米构型的表面更容易实现超疏水性，例如荷叶表面的微米乳突上存在着大量的纳米突起，这种微纳米分级结构是荷叶表面表现出超疏水性的根本原因。
目前，制备分级复合微纳米构型的主要方法有很多种，例如模板法、等离子刻蚀法、溶胶-凝胶法、气相沉积法、相分离法等，这些方法通常需要更长的加工周期、复杂的仪器设备，成本高，难以大规模制备以及制备出的微结构大多大小不一、分布不均。
发明内容
本发明针对传统的二级微结构制备过程中，操作及制备过程较复杂，添加的含氟修饰物易造成环境二次污染、一级微结构与二级微结构制备过程中因选用不同物质而导致的结构不牢靠等问题，提出一种在一级微结构基础上直接制备二级微结构的方法，此方法操作简单、反应条件温和、无二次污染、制备过程较简单、不需要特殊的加工设备、不需要昂贵的低表面能氟化物进行修饰、原料易取得、且制备的二次微结构更加牢靠。
本发明采用的技术方案是：一种实现材料表面超疏水性的二级微结构的制备方法，包括以下步骤：
1)在基体上用硅胶材料制备一级微结构表面，将制备好的一级微结构浸泡在氢氧化钠溶液中；
2)取出后，分别用无水乙醇，去离子水超声清洗，把基体上残余的氢氧化钠溶液完全去除；
3)用鼓风干燥箱对基体进行烘干处理；制得符合要求的超疏水性二级微结构薄膜。
所述的方法，步骤1)中所述的硅胶材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
进一步地，步骤1)中氢氧化钠溶液溶度为17-18mol/L；浸泡时间为6h。
步骤2)中无水乙醇进行超声清洗时间为10-15min，再用去离子水超声清洗的时间为10-15min。
所述的方法，步骤1)中一级微结构的具体制备方法为：
i)将15-20ml聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与交联剂滴至离心管中，两者比例约为预聚体：交联体为10：1；配比完成后，搅拌约15min备用；
ii)将搅拌好的离心管放入真空干燥箱，当内部接近真空时可关闭真空干燥箱上的真空阀，关闭真空泵，再使离心管在真空干燥箱内静置15分钟；
iii)将静置后气泡已消失的PDMS取出，均匀倒至具有微结构的模板上；将模板放置在真空干燥箱内，打开开关，当内部抽至接近真空时可关闭真空泵及真空阀；静置约20min后即可取出模板，并放置在90℃的鼓风干燥箱内2h，使其固化；
iv)将固化后的PDMS从具有微结构的模板上剥离，制得符合要求的一级微结构；
v)将一级微结构进行疏水改性处理，将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷(TMOS)按照体积比1000:50:20配置成溶液，将一级微结构浸泡在该溶液中约2小时，进行疏水处理，得到带疏水涂层的一级微结构基体。
PDMS的预聚体，可采用商品名为SylgardTM 184silicone elastomer base的硅树脂弹性体基底；交联剂可采用商品名为SylgardTM 184silicone elastomer curing agent的硅树脂弹性体固化剂。
本发明的制备方法，具有以下有益效果：
(1)利用氢氧化钠溶液制备二级微结构，工艺简单，反应条件温和，原料易取得，不会造成二次污染，且成本较低；
(2)制备的二级微结构更加牢靠，不易脱落，具有优异的超疏水性；
(3)此制备方法适用于利用PDMS等硅胶材料制备的微结构表面，对于微结构的形貌，如柱状、球状、金字塔型等多种结构均具有良好的适用性。
(4)制备的分级复合微纳米构型超疏水表面，具有较高的超疏水性能，液滴接触角达到167°。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1～图4为本发明中制备的超疏水二级微结构表面形貌。
图中右上角为二级微结构的局部放大图，图中右下角为本发明中制备的超疏水二级微结构表面的静态液滴光学图片。
具体实施方式
本实施例所述的氢氧化钠溶液浸泡生成超疏水二级微结构的制备方法，包括以下步骤：
第一步，在基体上用硅胶材料制备一级微结构表面。将15-20ml聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与一定比例交联剂滴至离心管中，两者比例约为10：1。配比完成后，搅拌约15min，使预聚体与交联剂充分混合备用；将搅拌好的离心管放入真空干燥箱，当内部接近真空时可关闭真空干燥箱上的真空阀，关闭真空泵。再使离心管在真空干燥箱内静置约15分钟，直至多余气泡自然炸裂消失；将静置后气泡已消失的PDMS取出，均匀倒至具有微结构的模板上；将模板放置在真空干燥箱内，打开开关，当内部抽至接近真空时可关闭真空泵及真空阀；静置约20min后即可取出模板，并放置在90℃的鼓风干燥箱内2h，使其固化；将固化后的PDMS从具有微结构的模板上剥离，制得符合要求的一级微结构。
第二步，将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷(TMOS)按照体积比1000:50:20配置成溶液，将一级微结构浸泡在该溶液中约2小时，进行疏水改性处理，得到带疏水涂层的一级微结构基体；
第三步，将5克氢氧化钠与45克去离子水混合后配成溶度约为17.8mol/kg的氢氧化钠溶液；
第四步，将疏水处理后的一级微结构浸泡在氢氧化钠溶液中，制备的时间为6h，不同溶度的氢氧化钠溶液以及不同浸泡时间将制备不同密集程度的二级微结构；
第五步，将浸泡在氢氧化钠溶液中基体取出后，用浓度99.8％的无水乙醇进行超声清洗10-15min，再用去离子水超声清洗10-15min，将基体上残余的氢氧化钠完全去除；
第六步，用鼓风干燥箱对样品进行烘干处理，温度设定为80℃，时间为30min。获得符合要求的具有纳米级二级微结构的超疏水表面基底。
依照上述实施步骤制备的超疏水二级微结构表面，如图1～图4所示，分别显示了不同尺寸间距的超疏水锥形阵列表面。各个图中的右上角为二级微结构的局部放大图，可见其表面经过旋涂后不平滑；右下角为本实施例制备的超疏水二级微结构表面的静态液滴光学图片。由此可知，液滴在各种不同间距的超疏水表面呈现球状，都显示出了理想的超疏水效果。

Claims (5)

1.一种实现材料表面超疏水性的二级微结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在基体上用硅胶材料制备一级微结构表面，将制备好的一级微结构浸泡在氢氧化钠溶液中；
2)取出后，分别用无水乙醇，去离子水超声清洗，把基体上残余的氢氧化钠溶液完全去除；
3)用鼓风干燥箱对基体进行烘干处理；制得符合要求的超疏水性二级微结构薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的硅胶材料为聚二甲基硅氧烷PDMS。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中氢氧化钠溶液溶度为17-18mol/L；浸泡时间为6h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中无水乙醇进行超声清洗时间为10-15min，再用去离子水超声清洗的时间为10-15min。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中一级微结构的具体制备方法为：
i)将15-20ml聚二甲基硅氧烷PDMS预聚体与交联剂滴至离心管中，两者比例约为预聚体：交联体为10：1；配比完成后，搅拌约15min备用；
ii)将搅拌好的离心管放入真空干燥箱，当内部接近真空时可关闭真空干燥箱上的真空阀，关闭真空泵，再使离心管在真空干燥箱内静置15分钟；
iii)将静置后气泡已消失的PDMS取出，均匀倒至具有微结构的模板上；将模板放置在真空干燥箱内，打开开关，当内部抽至接近真空时可关闭真空泵及真空阀；静置约20min后即可取出模板，并放置在90℃的鼓风干燥箱内2h，使其固化；
iv)将固化后的PDMS从具有微结构的模板上剥离，制得符合要求的一级微结构；
v)将一级微结构进行疏水改性处理，将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷TMOS按照体积比1000:50:20配置成溶液，将一级微结构浸泡在该溶液中约2小时，进行疏水处理，得到带疏水涂层的一级微结构基体。
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