CN110697649B - 一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法 - Google Patents

一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，属于超疏水表面领域。本发明的方法是通过将超疏水表面经多巴胺缓冲溶液浸泡后，获得超疏水表面微结构顶端被亲水性物质‑聚多巴胺修饰而其他部位仍然是疏水的方式实现的，通过所述超疏水表面微结构顶端处具有的亲水性提高超疏水表面水下空气层的Laplace压力，进而提高超疏水表面的水下空气层稳定性。本发明具有设备简单、可控性好、基底选择性广、在任何超疏水表面上均可实现等特点。

Description

一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法
技术领域
本发明涉及超疏水表面技术领域，具体而言，尤其涉及一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法。
背景技术
超疏水表面在水下船体防污、减阻以及防冰等领域具有重要的应用，其中超疏水表面水下空气层的稳定性是其功能发挥的最关键因素。超疏水表面在水下时，流体流动、静压力和浸泡时间等会加快空气层的扩散甚至流失，因此超疏水表面水下空气层稳定性问题尤为重要。
目前，提高水下空气层稳定性的方法主要采取以下几条路线：
1.在基底表面构建多级微结构。如：多级微结构可增加沟槽内的气体含量，从而增加气体向水中的扩散时间进而增强稳定性。(文献报道有期刊杂志Langmuir,2009,25,6129-6136.)多级微结构在浸润状态转变过程中可以提供更多的液-气钉扎点，从而增大浸润状态转变的能量势垒而提高空气稳定性，因而延长水下超疏水表面的使用寿命。(文献报道有期刊杂志Phys.Fluid.2014,26,082103.)此外，多微结构上的纳米沟槽也有利于保存气体，促进浸润状态的恢复过程发生。(文献报道有期刊杂志PNAS,2012,109,10210-10213.)
2.在基底表面构建特殊的微结构。如：将微结构加工成内凹构型，类似于跳虫表面的微结构，从而有利于液-气界面钉扎在微结构顶端，是提高空气层稳定性的有效方法。(文献报道有期刊杂志Science,2014,346,1096-1100.，Langmuir,2013,29,1100-1112.)
3.改变基底表面的化学性质。如：含有POSS的高聚物通过静电喷涂方法获得的表面，该表面具有稳定的超疏水特性，认为超疏水表面的液-气界面的浸润形状从凸型逐渐向凹型转变，大幅度增强其稳定性。(文献报道有期刊杂志PNAS,2008,105,18200-18205.)
然而以上设计路线其方法复杂、成本较高、需要复杂设备与仪器等缺陷，严重阻碍了稳定超疏水表面的制备与发展。
本发明提出一种全新的提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，构想来至于自然界的槐叶苹，即超疏水表面微结构顶端处用亲水性物质修饰的方式实现提高超疏水表面水下空气层的稳定性。
发明内容
根据上述提出现有的提高水下空气层稳定性的设计路线存在方法复杂、成本高且需要复杂设备等技术问题，而提供一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法。本发明主要通过将超疏水表面经多巴胺缓冲溶液浸泡后，获得超疏水表面微结构顶端被亲水性物质-聚多巴胺修饰而其他部位仍然是疏水的方式实现的，由于提高超疏水表面水下空气层的Laplace压力，进而提高超疏水表面水下空气层的稳定性。
本发明采用的技术手段如下：
一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述方法是通过将超疏水表面经多巴胺缓冲溶液浸泡后，获得超疏水表面微结构顶端被亲水性物质-聚多巴胺修饰而其他部位仍然是疏水的方式实现的，通过所述超疏水表面微结构顶端处具有的亲水性提高超疏水表面水下空气层的Laplace压力，进而提高超疏水表面的水下空气层稳定性。
进一步地，所述超疏水表面是以金属、高分子或无机材料作为基底，通过化学腐蚀、光刻蚀、模板法、相分离或溶胶-凝胶的方法处理得到微纳米复合结构粗糙表面，再用低表面能物质修饰或不修饰获得的。
进一步地，所述金属基底为铝板、铜板或铁板；所述高分子基底为聚苯乙烯或聚二甲硅氧烷；所述无机基底为硅片或玻璃。
进一步地，所述微纳米复合结构的尺寸大小为10纳米至10微米。
进一步地，所述低表面能物质是指甲基三氯硅烷、全氟癸基三氯硅烷或聚全氟烷基硅氧烷试剂。
进一步地，所述多巴胺缓冲溶液是盐酸多巴胺与Tris缓冲溶液或者磷酸缓冲液配制，多巴胺溶液浓度为0.05mol/L～0.15mol/L。
进一步地，所述Tris缓冲溶液是三羟甲基氨基甲烷和水配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
进一步地，所述磷酸缓冲液是磷酸钠溶液和磷酸氢钠溶液配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
进一步地，所述多巴胺缓冲溶液浸泡时间为8分钟～12分钟。
进一步地，所述超疏水表面的接触角是150°～179°。
较现有技术相比，本发明的目的之一是提供一种操作简单、无任何复杂设备、在任何超疏水基底上均可实现的提高超疏水表面水下空气层稳定性方法。本发明的再一目的是提供一种超疏水表面微结构顶端处修饰亲水性物质修饰的方式，提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法。
因此，本发明采用的方法是通过疏水表面的水下固/液/气三相接触原理和多巴胺的水下粘附机理，通过采用多巴胺缓冲溶液浸泡的方法，获得超疏水表面微结构顶端被亲水性物质-聚多巴胺修饰而其他部位仍然是疏水的方式实现。由于提高超疏水表面水下空气层的Laplace压力，进而提高超疏水表面水下空气层的稳定性。
本发明改变超疏水表面水下空气层稳定性的方法优点在于：设备简单、可控性好、基底选择性广、在任何超疏水表面上均可实现等特点，可广泛应用到船体防污、减阻以及防冰等的生产和科研领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1顶端亲水物质修饰的超疏水表面扫描电镜照片。
图2为本发明实施例2顶端亲水物质修饰的超疏水表面X-射线光电子能谱图。
图3为本发明实施例3顶端亲水物质修饰的超疏水表面水接触角图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提出一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，是通过超疏水表面的水下固/液/气三相接触原理和多巴胺的水下粘附机理，通过采用多巴胺缓冲溶液浸泡的方法，获得超疏水表面微结构顶端被亲水性物质-聚多巴胺修饰而其他部位仍然是疏水的表面。由于提高超疏水表面水下空气层的Laplace压力，进而提高超疏水表面水下空气层的稳定性。
实施例1
本实施例提供一种以铝片作为基底的超疏水表面水下空气层稳定性方法。
选用铝片作为基底，通过化学腐蚀方法获得粗糙表面。将铝片用浓度为3mol/L盐酸腐蚀10分钟，在去离子水中超声清洗5分钟，取出氮气吹干。之后用全氟癸基三氯硅烷修饰，在120℃烘箱中干燥2小时后即可获得超疏水表面。该超疏水表面在0.1mol/L的Tris-多巴胺缓冲溶液中浸泡10分钟后，在常温下干燥即可得到顶端亲水物质-聚多巴胺修饰的粗糙结构超疏水表面。该表面的扫描电镜照片(如图1)表明该表面具有微纳米复合结构，其尺寸大小为10纳米至10微米。X-射线光电子能谱图(如图2)表明，该表面已修饰了聚多巴胺。图3表明，该表面的接触角是155°。
实施例2
本实施例提供一种以聚苯乙烯作为基底的超疏水表面水下空气层稳定性的方法。
选用聚苯乙烯，通过相分离方法获得粗糙结构表面。氯仿为溶剂配制成重量分数为20％的聚苯乙烯溶液，将该溶液在湿度为80％条件下旋转涂膜到聚苯乙烯基底上，之后在25℃常温下干燥24小时后获得超疏水表面。将该超疏水表面在0.15mol/L的Tris-多巴胺缓冲溶液中浸泡8分钟后，在常温下干燥即可得到顶端亲水物质修饰的粗糙结构超疏水表面。
实施例3
本实施例提供一种以聚二甲基硅氧烷作为基底的超疏水表面水下空气层稳定性的方法。
选用聚二甲基硅氧烷，通过模板法获得粗糙结构表面。将二甲基硅氧烷和固化剂按重量比10/1配制，搅拌均匀并除去气泡。选择800目的砂纸表面上滴涂三甲基氯硅烷作为防粘剂。之后将配制好的混合物倒入到以上防粘剂处理过的砂纸表面上，真空容器中抽真空后转移到温度为60℃的烘箱中固化4小时。将固化后的聚二甲基硅氧烷膜和砂纸剥离，得到砂纸反结构的微纳米复合粗糙结构聚二甲基硅氧烷表面，该表面经过重量分数为0.1％的甲基三氯硅烷-甲苯溶液中进行疏水化改性，浸泡时间为1小时。之后分别用丙酮、乙醇去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时后获得超疏水表面。将该超疏水表面在0.1mol/L的多巴胺磷酸缓冲溶液中浸泡12分钟后，在常温下干燥即可得到顶端亲水物质修饰的粗糙结构超疏水表面。
实施例4
本实施例提供一种以玻璃作为基底的超疏水表面水下空气层稳定性方法。
选用玻璃为基底，通过光刻蚀的方法获得粗糙结构表面。光刻蚀参数：光波长为532nm、脉冲大小为20Hz、光斑大小25×10um2、激光能量5J/cm2、电移台移动速度15mm/分钟、电移台移动距离10um等。该表面分别用乙醇和水超声清洗10分钟，氮气吹干之后浸泡到重量分数为0.1％的全氟癸基三氯硅烷-甲苯溶液中进行疏水化改性，浸泡时间为1小时。分别用丙酮、乙醇去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时后获得超疏水表面。将该超疏水表面在0.05mol/L的Tris-多巴胺缓冲溶液中浸泡12分钟后，在常温下干燥即可得到顶端亲水物质修饰的粗糙结构超疏水表面。
实施例5
本实施例提供一种以硅片作为基底的超疏水表面水下空气层稳定性的方法。
选用硅片作为基底，通过通过光刻蚀的方法获得粗糙结构表面。光刻蚀参数：光波长为532nm、脉冲大小为20Hz、光斑大小25×10um2、激光能量5J/cm2、电移台移动速度15mm/分钟、电移台移动距离10um等。该表面分别用乙醇和水超声清洗10分钟，氮气吹干之后浸泡到重量分数为0.1％的全氟癸基三氯硅烷-甲苯溶液中进行疏水化改性，浸泡时间为1小时。分别用丙酮、乙醇去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时后获得超疏水表面。将该超疏水表面在0.15mol/L的多巴胺磷酸缓冲溶液中浸泡8分钟后，在常温下干燥即可得到顶端亲水物质修饰的粗糙结构超疏水表面。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述方法是通过将超疏水表面经多巴胺缓冲溶液浸泡后，获得超疏水表面微结构顶端被亲水性物质-聚多巴胺修饰而其他部位仍然是疏水的方式实现的，其中，所述超疏水表面是以金属、高分子或无机材料作为基底，通过化学腐蚀、光刻蚀、模板法、相分离或溶胶-凝胶的方法处理得到微纳米复合结构粗糙表面，再用低表面能物质修饰或不修饰获得的，所述多巴胺缓冲溶液是盐酸多巴胺与Tris缓冲溶液或者磷酸缓冲液配制，多巴胺溶液浓度为0.05mol/L～0.15mol/L，所述多巴胺缓冲溶液浸泡时间为8分钟～12分钟；通过所述超疏水表面微结构顶端处具有的亲水性提高超疏水表面水下空气层的Laplace压力，进而提高超疏水表面的水下空气层稳定性。
2.根据权利要求1所述的提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述金属基底为铝板、铜板或铁板；所述高分子基底为聚苯乙烯或聚二甲硅氧烷；所述无机基底为硅片或玻璃。
3.根据权利要求1所述的提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述微纳米复合结构的尺寸大小为10纳米至10微米。
4.根据权利要求1所述的提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述低表面能物质是指甲基三氯硅烷、全氟癸基三氯硅烷或聚全氟烷基硅氧烷试剂。
5.根据权利要求1所述的提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述Tris缓冲溶液是三羟甲基氨基甲烷和水配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
6.根据权利要求1所述的提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述磷酸缓冲液是磷酸钠溶液和磷酸氢钠溶液配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
7.根据权利要求1所述的提高超疏水表面水下空气层稳定性的方法，其特征在于，所述超疏水表面的接触角是150°～179°。
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