CN110511427A - 一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，包括如下步骤：(1)水纤维溶布与胶带组装制备复型模板；(2)树脂混合物倒入到复型模板中，加热固化后，撕去胶带后获得薄片；(3)将薄片放入水中溶解水溶纤维布，干燥得到具有纤维状孔洞结构的薄片；(4)注入润滑液获得纤维状孔洞结构的超滑表面。该方法简单方便，绿色环保，无需大型仪器，成本低，可用于制备一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面，具有良好的应用前景。

Description

一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超滑表面的制备方法，尤其涉及一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，属于表面加工处理技术领域。
背景技术
超滑表面材料因具有良好的受损自愈能力，其在自清洁、防雾、防冰冻、水面运动减阻、油水分离、微流体控制、海洋防污和防腐等领域比超疏水表面材料具有更广泛地市场应用前景。
现今依靠润滑液注入多孔表面形成的超滑表面存在因润滑液储量不足和润滑液间的流通通道匮乏导致的稳定性下降的问题。究其原因，导致这一问题的难以解决主要存在两方面的原因：一方面，由于大多数材料表面储液空间的构筑仅限于材料表面，而往往表面存储润滑液的空间有限，存储的润滑液容量小，因此容易导致超滑表面的功能耐久性差；另一方面，已报道的大多数超滑材料内部存储润滑液的区域并不互通，材料某一区域的润滑液流失后，润滑液不能得到有效的补充，容易导致材料的部分区域的性能失效，从而使整体润滑性能下降。
水溶纤维布具有三个显著特征：一是水溶纤维布材料是由长纤维作为最小宏观构成单元所组成，因此，纤维的粗细及水溶纤维布的厚度可控；二是纤维为水溶性纤维，因此，以该种材料作为模板可方便的消除模板，对树脂基材无破坏、无残留；三是纤维间相互接触、缠结，因此形成的相应纤维状多孔结构有利于润滑液间的相互流动。利用水溶纤维布作为主要复型牺牲模板制备的超滑材料表面具有纤维状孔洞结构，利用较粗纤维水溶后形成的大空间可使材料表面具有较大储存润滑液的“存储间”，提高存储润滑液的能力，利用纤维状孔洞相互贯穿的特性，使存储在“存储间”的润滑液能够相互流动，相互补充。因此，利用水溶纤维布的这三个特点发展一种既具有大容量储存润滑液的储存区域，又可以使各储液区域的润滑液相互流通的超滑表面材料及其制备方法是解决超滑表面性能容易失效的关键，对于推动超滑表面的市场应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种简单方便，绿色环保，无需大型仪器，成本低的具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，包括4个步骤：
步骤1：牺牲模板的组装
以纤维直径为0.1μm～1000μm的水溶纤维布和胶带作为组装复型牺牲模板的原材料，水溶纤维布厚度与胶带黏胶面厚度比值范围为1.5～200，将水溶纤维布平铺在胶带黏胶面，平铺时的负载压力为5～50kPa，负载时间为1～60s，压实后制备以水溶纤维布和胶带组成的复型牺牲模板A；
步骤2：树脂的浇注和固化
PDMS或聚氨酯或环氧树脂为树脂体系，按照质量比为100：10～100：41的比例混合，将组成的树脂倒入到复型牺牲模板表面A上，除去气泡后，20～100℃下固化0.5～24h，除去表面的胶带后即获得树脂-水溶纤维布复合材料薄片B；
步骤3：除去牺牲模板的过程
树脂-水溶纤维布复合材料薄片B放入到0～100℃水中浸泡1～64h以除去镶嵌在树脂中的水溶纤维布，水溶纤维布溶解后，用去离子水中洗涤3次，随后在20～60℃的乙醇溶液中共超声清洗2～5次，每次超声1～5min，以充分除去表面杂质，40～100℃下干燥2-24h得到具有纤维状孔洞结构的薄片C；
步骤4：注入润滑液的过程
向具有纤维状孔洞结构的薄片上注入全氟聚醚或硅油，将注入润滑液的薄片放入到旋涂仪中，控制旋涂仪的旋涂速度为100r.p.m～10000r.p.m，旋涂时间控制为10s～1000s，使获得的超滑表面上的润滑液0.005～0.050g/cm-2，由此获得一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面。
本发明还包括如下的其他特征：
步骤2中PDMS中以质量比为100：10的预聚物和交联剂的比例混合或环氧树脂E51和交联剂T403以质量比为100：41的比例混合；
步骤1中，水溶纤维布的纤维直径约为2μm；
步骤1中，平铺时的负载压力为40kPa，负载时间为60s；
步骤4中，注入的润滑液为硅油；步骤2中，所用的树脂体系为PDMS树脂体系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)与现有超滑表面制备技术相比，本发明利用水溶纤维布作为牺牲模板制备的纤维状孔洞结构超滑表面材料，具有大空间的储存润滑液的“储液间”，各个存储润滑液的“储液间”通过网洞相互贯通的结构特点，从而赋予该超滑表面具有润滑液储存量大，且润滑液可通过网洞进行相互补充的特点。该特点可使超滑表面具有更好的稳定性及自修复性，大幅增长材料的使用寿命。
(2)采用可牺牲的复型模板，可方便的将复型材料与模板材料进行非机械力剥离，可避免因机械力对复型材料表面导致的破坏，提高剥离效率。
(3)本发明选用水溶纤维布作为牺牲模板，拓宽了复型法制备微结构表面中模板选择的范围，且模板具有成本低，种类丰富，纤维结构可控等特点，可实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明的制备流程图；
图2是本发明实施例1中涉及的水溶无纺布的表面扫描电镜图；
图3是本发明实施例1中纤维状孔状结构表面的表面扫描电镜图；
图4是本发明实施例1中纤维状孔状结构表面的侧面扫描电镜图；
图5是本发明实施例1中超滑表面与水的接触角；
图6是本发明实施例3中自主设计的水溶无纺布的表面扫描电镜图；
图7是本发明实施例3中纤维状孔状结构表面的表面扫描电镜图；
图8是本发明实施例3中超滑表面与水的接触角；
图9是本发明实施例4中纤维状孔状结构表面的表面扫描电镜图；
图10是本发明实施例5中超滑表面与水的接触角。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的在于提供一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，本项发明工艺流程如图1所示，分为4个步骤：
步骤1：牺牲模板的组装
如图1中a所示，以纤维直径为0.1μm～1000μm水溶纤维布和胶带作为组装复型牺牲模板的原材料，水溶纤维布厚度与胶带黏胶面厚度比值范围为1.5～200，将水溶纤维布平铺在胶带黏胶面，平铺时的负载压力为5～50kPa，负载时间为1～60s，压实后制备以水溶纤维布和胶带组成的复型牺牲模板A；
步骤2：树脂的浇注和固化
如图1中b所示，以PDMS或聚氨酯或环氧树脂为树脂体系，其中PDMS中以10：1的预聚物和交联剂的比例混合，环氧树脂E51和交联剂T403为树脂体系中树脂预聚物和交联剂以质量比为100：41的比例充分混合，将组成的树脂倒入到复型牺牲模板表面A上，除去气泡后，20～100℃下固化0.5～24h，除去表面的胶带后即获得树脂-水溶纤维布复合材料薄片B；
步骤3：除去牺牲模板的过程
如图1中c所示，树脂-水溶纤维布复合材料薄片B放入到0～100℃水中浸泡1～64h以除去镶嵌在树脂中的水溶纤维布，水溶纤维布溶解后，用去离子水中洗涤3次，随后在20～60℃的乙醇溶液中共超声清洗2～5次，每次超声1～5min，以除去表面杂质，40～100℃下干燥2～24h得到具有纤维状孔洞结构的薄片C；
步骤4：注入润滑液的过程
如图1中d所示，采用直接灌注法或真空灌注法，向具有纤维状孔洞结构的薄片上注入全氟聚醚或硅油，将注入润滑液的薄片放入到旋涂仪中，控制旋涂仪的旋涂速度为100r.p.m～10000r.p.m，旋涂时间控制为10s～1000s，使获得的超滑表面上的润滑液处于0.005～0.050g/cm-2的范围，由此获得一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面。
本发明中，通过对水溶纤维布和胶带的组装获得牺牲模板，以此为模板进行树脂的浇注和固化，进行水溶液对模板的去除，获得了具有纤维状孔结构的表面，最后在孔结构中注入润滑液制备润滑表面；该纤维状孔洞结构超滑表面由纤维状孔洞结构化的树脂基材料和注入纤维状孔洞结构中的疏水性润滑液组成，所述纤维状孔洞结构化的树脂基材料的表面具有微/纳结构，内部具有纤维状孔洞结构；纤维状孔洞结构超滑材料表面微结构由直径为1～50um的纤维孔状结构相互贯穿而成。
由于深入材料内部的纤维状结构具有极大和可调节的空间，因此表面更加有利于提高对润滑液的存储容量，其范围可达0.001g/g～0.3g/g；此外连通于材料表面的纤维孔结构可以为润滑液向表面的流动提供通道，其表面的润滑液流失后，可在3s～300s内得到90％的恢复。
技术说明：
说明1：采用水溶的方式对复型材料与模板材料进行剥离，溶解过程中，溶剂对纤维布的作用力为微观分子间的作用力，而水对复型树脂材料作用力弱，可有效避免对材料表面的微观结构的破坏。
说明2：使水溶纤维布上的纤维与胶带粘连。这一步的关键作用是解决树脂可能完全包埋水溶纤维布的风险，避免导致水溶纤维布无法与水接触的结果，水溶纤维布无法与水接触会使纤维水溶纤维布在水中溶解速率过慢或完全无法溶解在水中，进而无法形成纤维状孔洞结构。
实施例1
一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，包括4个步骤：
步骤1：牺牲模板的组装
以纤维直径为0.1～1000μm水溶纤维布和胶带作为组装复型牺牲模板的原材料，水溶纤维布厚度与胶带黏胶面厚度比值范围为1.5～200，将水溶纤维布平铺在胶带黏胶面，平铺时的负载压力为5～50kPa，负载时间为1～60s，压实后制备以水溶纤维布和胶带组成的复型牺牲模板A，如图2所示；
步骤2：树脂的浇注和固化
PDMS或聚氨酯或环氧树脂为树脂体系，按照质量比为100：10～100：41的比例混合，将组成的树脂倒入到复型牺牲模板表面A上，除去气泡后，20～100℃下固化0.5～24h，除去表面的胶带后即获得树脂-水溶纤维布复合材料薄片B；
步骤3：除去牺牲模板的过程
树脂-水溶纤维布复合材料薄片B放入到0～100℃水中浸泡1～64h以除去镶嵌在树脂中的水溶纤维布，水溶纤维布溶解后，用去离子水中洗涤3次，随后在20～60℃的乙醇溶液中共超声清洗2～5次，每次超声1～5min，以充分除去表面杂质，40～100℃稳定下干燥2～24h得到具有纤维状孔洞结构的薄片C(如图3及图4所示)；
步骤4：注入润滑液的过程
向具有纤维状孔洞结构的薄片上注入全氟聚醚或硅油，将注入润滑液的薄片放入到旋涂仪中，控制旋涂仪的旋涂速度为100r.p.m～10000r.p.m，旋涂时间控制为10s～1000s，使获得的超滑表面上的润滑液处于0.005～0.050g/cm-2的范围，由此获得一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面，该表面具有直径约为20微米的纤维状孔结构，其单位面积内的润滑液存储量为0.3g/cm2，接触角为98.3°(如图5所示)。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于步骤2中PDMS中以质量比为100：10的预聚物和交联剂的比例混合或环氧树脂E51和交联剂T403以质量比为100：41的比例混合。
本实施例技术说明：按照本实施例所获得的具有纤维状孔洞结构的超滑表面具有最佳的机械强度。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于步骤1中，选择的水溶纤维布的纤维直径约为2μm；具有纤维状孔洞结构的超滑表面的纤维孔直径约为2μm，获得的接触角为99.6°(图6-8)。
本实施例技术说明：按照本实施例所获得的具有纤维状孔洞结构的超滑表面的纤维孔直径约为2μm，孔结构的减少可以减缓润滑液的流失，增加表面润滑液的稳定性。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于步骤1中，平铺时的负载压力为40kPa，负载时间为60s；具有纤维状孔洞结构的超滑表面的纤维孔直径约为20μm，且大量纤维孔结构连通到表面上(图9)。
本实施例技术说明：按照本实施例所获得的具有纤维状孔洞结构的超滑表面，其表面上的结构的粗糙度增加，具有更多的纤维状孔联通与材料的表面和内部，这种结构可以加快润滑液在不同局域之间的流通，加快修复速率。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤4中，注入的润滑液为硅油；步骤2中，所用的树脂体系为PDMS树脂体系；具有纤维状孔洞结构的超滑表面的纤维孔直径约为20μm，其接触角为115.64(图10)。
本实施例技术说明：按照本实施例所获得的具有纤维状孔洞结构的超滑表面，其表面上的疏水性增加，且由于硅油的粘度较高和与PDMS基材的相容性更好，因此其表面上的润滑液具有更好的稳定性。
综上所述：一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，本发明涉及表面加工处理技术领域。所述方法步骤如下：(1)水纤维溶布与胶带组装制备复型模板；(2)树脂混合物倒入到复型模板中，加热固化后，撕去胶带后获得薄片；(3)将薄片放入水中溶解水溶纤维布，干燥得到具有纤维状孔洞结构的薄片；(4)注入润滑液获得纤维状孔洞结构的超滑表面。该方法简单方便，绿色环保，无需大型仪器，成本低，可用于制备一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面，具有良好的应用前景。

Claims (5)

1.一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，包括4个步骤：
步骤1：牺牲模板的组装
以纤维直径为0.1μm～1000μm的水溶纤维布和胶带作为组装复型牺牲模板的原材料，水溶纤维布厚度与胶带黏胶面厚度比值范围为1.5～200，将水溶纤维布平铺在胶带黏胶面，平铺时的负载压力为5～50kPa，负载时间为1～60s，压实后制备以水溶纤维布和胶带组成的复型牺牲模板A；
步骤2：树脂的浇注和固化
PDMS或聚氨酯或环氧树脂为树脂体系，按照质量比为100：10～100：41的比例混合，将组成的树脂倒入到复型牺牲模板表面A上，除去气泡后，20～100℃下固化0.5～24h，除去表面的胶带后即获得树脂-水溶纤维布复合材料薄片B；
步骤3：除去牺牲模板的过程
树脂-水溶纤维布复合材料薄片B放入到0～100℃水中浸泡1～64h以除去镶嵌在树脂中的水溶纤维布，水溶纤维布溶解后，用去离子水中洗涤3次，随后在20～60℃的乙醇溶液中共超声清洗2～5次，每次超声1～5min，以充分除去表面杂质，40～100℃下干燥2-24h得到具有纤维状孔洞结构的薄片C；
步骤4：注入润滑液的过程
向具有纤维状孔洞结构的薄片上注入全氟聚醚或硅油，将注入润滑液的薄片放入到旋涂仪中，控制旋涂仪的旋涂速度为100r.p.m～10000r.p.m，旋涂时间控制为10s～1000s，使获得的超滑表面上的润滑液0.005～0.050g/cm-2，由此获得一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面。
2.如权利要求1所述的一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，其特征在于，步骤2中PDMS中以质量比为100：10的预聚物和交联剂的比例混合或环氧树脂E51和交联剂T403以质量比为100：41的比例混合。
3.如权利要求1所述的一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，其特征在于，步骤1中，水溶纤维布的纤维直径约为2μm。
4.如权利要求1所述的一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，其特征在于，步骤1中，平铺时的负载压力为40kPa，负载时间为60s。
5.如权利要求1所述的一种具有纤维状孔洞结构的超滑表面的制备方法，其特征在于，步骤4中，注入的润滑液为硅油；步骤2中，所用的树脂体系为PDMS树脂体系。
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