CN110668707A

CN110668707A - 一种稳固超滑表面的制备方法

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Publication number: CN110668707A
Application number: CN201811637105.2A
Authority: CN
Inventors: 吴杨; 周峰
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种稳固超滑表面的制备方法。本发明将涂覆硅溶胶溶液的基体进行第一次热处理，形成硅溶胶层；在所述硅溶胶层的表面涂覆含羟基低表面能聚合物溶液，进行第二次热处理，得到稳固超滑表面。本发明制备所得稳固型超滑表面在1公斤载荷下摩擦3000次，仍具有优异的疏水性能。

Description

一种稳固超滑表面的制备方法

技术领域

本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种稳固超滑表面的制备方法。

背景技术

超滑表面是受自然界中猪笼草捕捉昆虫的启发而研制得到，这类表面几乎能排斥所有低表面张力的有机溶剂，甚至对血液、番茄酱等粘稠状液体也具有良好的排除作用。不仅如此，这类超滑表面还具有抗结冰、抗生物污损、自修复等多方面的性能优势，因此在多个领域得到广泛应用。

目前，超滑表面多通过在微纳米结构基底的表面灌注低表面能液体形成，这种方法虽然能够获得类猪笼草的超滑表面，但耐磨性差，很容易受到机械损伤而丧失疏液效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳固超滑表面的制备方法，利用本发明提供的方法制备的超滑表面与基体的结合力强，耐磨性好。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种稳固超滑表面的制备方法，包括以下步骤：

将涂覆硅溶胶溶液的基体进行第一次热处理，形成硅溶胶层；

在所述硅溶胶层的表面涂覆含羟基低表面能聚合物溶液，进行第二次热处理，得到稳固超滑表面。

优选地，所述硅溶胶溶液通过硅酸酯水解得到。

优选地，所述硅溶胶溶液的浓度为0.01～1mol/L；所述硅溶胶溶液的用量为1～10g/m²。

优选地，所述第一次热处理的温度为60～100℃，时间为20～40min。

优选地，所述含羟基低表面能聚合物溶液中包括羟基硅氧烷和/或羟基全氟聚醚。

优选地，所述含羟基低表面能聚合物溶液的质量浓度为3～20％。

优选地，所述含羟基低表面能聚合物溶液的用量为1～10g/m²。

优选地，所述含羟基低表面能聚合物溶液的涂覆方式包括旋涂、浸涂、喷涂或刷涂。

优选地，所述旋涂包括滴胶、匀胶和甩胶，所述匀胶的速度为200～500r/min，匀胶的时间为8～15s；所述甩胶的速度为2000～3500r/min，甩胶的时间为25～40s。

优选地，所述第二次热处理的温度为100～250℃，时间为5～35min。

本发明提供了一种稳固超滑表面的制备方法，包括以下步骤：将涂覆硅溶胶溶液的基体进行第一次热处理，形成硅溶胶层；在所述硅溶胶层的表面涂覆含羟基低表面能聚合物溶液，进行第二次热处理，得到稳固超滑表面。本发明先在基体上形成硅溶胶层，然后再利用低表面能聚合物的羟基与硅溶胶中的羟基形成稳定的化学键，以提高低表面能聚合物与基体的结合能力。实施例表明本发明得到的超滑表面在1公斤载荷条件下摩擦800次，超滑表面与水的接触角几乎不变，即使摩擦3000次，超滑表面与水的接触角仍能保持在95°以上，使基体材料保持良好的疏水性能，充分证明本发明提供的方法能够得到稳固、耐磨的超滑表面。

附图说明

图1为水在稳固超滑表面的接触角照片；

图2为油性笔在稳固超滑表面书写笔迹的实物图；

图3为稳固超滑表面与水接触角随摩擦次数的变化趋势图；

图4为甲苯浸泡稳固超滑表面1个月后与水的接触角照片；

图5为不同有机溶剂在稳固超滑表面的接触角和滑动角统计结果。

具体实施方式

本发明将涂覆硅溶胶溶液的基体进行第一次热处理，形成硅溶胶层。在本发明中，所述基体用于形成超光滑表面，其尺寸、形状及材质不受限制；在本发明的实施例中，所述基体优选为玻璃片。现有技术中通常需要在微纳米结构表面上构筑超滑表面，以保证超滑表面的稳固性；本发明中不需要在微纳米结构表面上构筑超滑表面，而是通过先在基体上形成硅溶胶层，然后再利用低表面能聚合物的羟基与硅溶胶中的羟基形成稳定的化学键，以提高低表面能聚合物与基体的结合能力。在本发明中，所述硅溶胶溶液的浓度优选为0.01～1mol/L，更优选为0.02～0.8mol/L，再优选为0.05～0.7mol/L。在本发明中，所述硅溶胶溶液优选通过硅酸酯水解得到，所述硅酸酯优选包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或正硅酸丙酯，更优选为正硅酸乙酯。

在本发明中，所述水解用试剂优选为乙醇和水的混合液，所述混合液中乙醇和水的质量比优选为(8～12)：1，更优选为(8.5～11)：1，再优选为(9～11)：1。

在本发明中，水解时，水解体系(硅酸酯与混合液)的pH值优选为3～5，更优选为3～4；在本发明中，所述水解体系的pH值优选通过酸性试剂调节，所述酸性试剂优选包括盐酸、硝酸或醋酸，更优选为醋酸；本发明对于所述酸性试剂的浓度没有特殊的限定，能够将水解体系的pH值调节至3～5且保证水解顺利进行即可。

在本发明中，所述水解的时间优选为20～25h，更优选为22～24h；水解温度优选为室温。

本发明优选在上述条件下进行水解，能得到富含硅羟基的硅溶胶，进一步提高硅溶胶的活性，使硅溶胶可以与基体、超光滑表面之间的结合力更强。

在本发明中，所述硅溶胶溶液的涂覆优选为浸涂；具体的，是将基体浸没在硅溶胶溶液中，静置5～10s后缓慢提出，然后进行第一次热处理。

在本发明中，所述第一次热处理的温度优选为60～100℃，更优选为65～90℃，再优选为70～85℃；时间优选为20～40min，更优选为23～37min，再优选为25～35min。本发明通过第一次热处理去除硅溶胶溶液中的乙醇和水，促进硅溶胶与基体表面的结合强度，形成稳固的硅溶胶层。第一次热处理后，本发明优选将第一次热处理后的物料进行冷却，以进行后续的涂覆步骤，所述冷却的方式优选在室温下自然降温。

形成硅溶胶层后，本发明在所述硅溶胶层的表面涂覆含羟基低表面能聚合物溶液，进行第二次热处理，得到稳固超滑表面。在本发明中，所述含羟基低表面能聚合物溶液中优选包括羟基硅氧烷和/或羟基全氟聚醚，更优选为羟基硅氧烷或羟基全氟聚醚；所述羟基硅氧烷优选包括羟基聚二甲基硅氧烷和/或羟丙基聚二甲基硅氧烷。所述含羟基低表面能聚合物溶液中包括上述组分的多种时，本发明对各组分的含量比没有特殊要求。

在本发明中，所述含羟基低表面能聚合物溶液中的溶剂优选包括甲醇、乙醇、异丙醇、甲苯、二甲苯和N,N二甲基甲酰胺中的一种或几种，更优选为甲醇或甲苯。

在本发明中，所述含羟基低表面能聚合物溶液的质量浓度优选为3～20％，更优选为4～18％，再优选为5～15％；所述含羟基低表面能聚合物溶液的用量优选为1～10g/m²；更优选为2～8g/m²，再优选为5～7g/m²。

在本发明中，所述含羟基低表面能聚合物溶液的涂覆方式优选包括旋涂、浸涂、喷涂或刷涂，更优选为旋涂。在本发明中，所述旋涂优选包括滴胶、匀胶和甩胶，所述滴胶的方式采用本领域技术人员熟知的方式；所述匀胶的速度优选为200～500r/min，更优选为250～450r/min，再优选为300～400r/min；匀胶的时间优选为8～15s，更优选为9～14s，再优选为10～13s；所述甩胶的速度优选为2000～3500r/min，更优选为2200～3300r/min，再优选为2500～3000r/min；甩胶的时间优选为25～40s，更优选为27～37s，再优选为30～35s。

本发明优选在上述条件下进行旋涂，可使含羟基低表面能聚合物溶液均匀覆盖在硅溶胶层的表面，为得到厚度均匀的超光滑表面提供条件。

涂覆后，本发明将涂覆含羟基低表面能聚合物溶液的基体进行第二次热处理。在本发明中，所述第二次热处理的温度优选为100～250℃，更优选为120～220℃，再优选为150～20℃；时间优选为5～35min，更优选为7～32min，再优选为10～30min。

在本发明中，第二次热处理不仅能去除含羟基低表面能聚合物溶液中的溶剂，还能使硅溶胶层中的硅羟基与低表面能聚合物的羟基反应，形成化学键，进而得到稳固的超滑表面。在本发明中，以羟丙基聚二甲基硅氧烷为例，所述反应优选如式1所示：

由式1可知，不同于现有的灌注低表面能液体的方法，本发明是在基体表面接枝修饰低表面能聚合物，而硅溶胶层作为中间层，能与低表面能聚合物形成化学键，提高低表面能聚合物在基体表面的附着力，进而得到稳固型全疏超滑表面。

第二次热处理后，本发明优选对第二次热处理后的物料进行冷却，得到稳固型全疏超滑表面；所述冷却的方式优选为室温下自然降温。

在以上具体实施方式中，本发明所用各类试剂均为本领域技术人员熟知的市售产品。

为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种稳固超滑表面的制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

(1)将玻璃片放入无水乙醇中超声清洗20min至洁净，取出空气吹干后备用；

(2)将洁净的玻璃片浸入在0.1mol/L硅溶胶溶液中，静置5s后缓慢提出，放入80℃烘箱中加热30min，形成硅溶胶层；其中，所述硅溶胶溶液的制备方法包括：将正硅酸乙酯、乙醇和水(所述乙醇与水的质量比为9：1)混合，用醋酸调节pH值为4，于室温条件下水解24h，得到硅溶胶溶液；

(3)将形成硅溶胶层的玻璃片放置在旋涂机上，将5％wt羟丙基硅油溶液滴在此玻璃片上，进行旋涂，工艺为：匀胶速度300r/min，时间10s，甩胶速度3000r/min，时间30s；

(4)将步骤(3)中的玻璃片放置在150℃烘箱中加热30min后，得到稳固超滑表面。

实施例2～6

制备方法同实施例1，制备参数列于表1中。

表1实施例1～6稳固超滑表面的制备参数

性能表征及结果

将水滴在实施例1所得超滑表面上，以表征超滑表面的疏水性能，结果如图1所示，由图1可知，水与超滑表面的接触角为103.8°，说明实施例1所得超光滑表面具有优异的疏水特性。实施例2～6测试结果与实施例1基本一致，均得到了疏水性能较好的超光滑表面。

利用油性笔在实施例1所得超滑表面进行书写，结果如图2所示。由图2可知，油性笔书写时，无法形成连续的笔迹，说明实施例1所得超滑表面具有良好的疏油和耐沾污特性。实施例2～6测试结果与实施例1基本一致。

将实施例1所得超滑表面在1公斤载荷条件下进行摩擦，以表征超滑表面的耐摩擦性能，并绘制摩擦次数与水接触角变化趋势图，如图3所示。由图3可知，随着摩擦次数的增加，本发明提供超滑表面与水的接触角略有减小的趋势，但减小幅度并不大，而且在摩擦800次后，超滑表面与水的接触角几乎不变，维持在95°以上，说明本发明提供的超滑表面具有良好的耐机械磨损的特性。实施例2～6测试结果与实施例1基本一致。

将实施例1所得超滑表面在甲苯中浸泡1个月，取出后，滴水，通过观察超滑表面与水滴接触角判断超滑表面的疏水特性，以表征超滑表面的耐腐蚀性能，结果如图4所示。由图4可知，实施例1制备得到的超滑表面具有优异的耐溶剂浸泡效果，有机溶剂长时间浸泡，超滑表面的疏水性能不会丧失。实施例2～6测试结果与实施例1基本一致。

将不同溶剂滴在实施例1制备得到的超滑表面上，测试不同溶剂与超滑表面的接触角和滑动角，结果如图5所示。由图5可知，实施例1制备得到的超滑表面具有全疏液特性，可疏多种有机溶剂。实施例2～6测试结果与实施例1基本一致。

由以上实施例可知，本发明提供的制备方法能够得到耐摩擦和机械损伤的超滑表面，提升了超滑表面的稳固型，扩大了材料的应用领域。

本发明所用超滑表面的制备原料合理，可疏水和多种有机溶剂，具有全疏液特性。

本发明提供的制备方法简单，对基体材料的尺寸形状没有特殊要求，适合生产应用。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种稳固超滑表面的制备方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶溶液通过硅酸酯水解得到。

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶溶液的浓度为0.01～1mol/L；所述硅溶胶溶液的用量为1～10g/m²。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一次热处理的温度为60～100℃，时间为20～40min。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含羟基低表面能聚合物溶液中包括羟基硅氧烷和/或羟基全氟聚醚。

6.如权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述含羟基低表面能聚合物溶液的质量浓度为3～20％。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述含羟基低表面能聚合物溶液的用量为1～10g/m²。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含羟基低表面能聚合物溶液的涂覆方式包括旋涂、浸涂、喷涂或刷涂。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述旋涂包括滴胶、匀胶和甩胶，所述匀胶的速度为200～500r/min，匀胶的时间为8～15s；所述甩胶的速度为2000～3500r/min，甩胶的时间为25～40s。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二次热处理的温度为100～250℃，时间为5～35min。