CN113387592A - 一种玻璃表面的水下超疏油复合镀层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种玻璃表面的水下超疏油复合物镀层及其制备方法。所述方法包括：对玻璃表面进行预处理；将预处理后的玻璃表面浸入到3‑氨丙基三乙氧基硅烷溶液中反应实现改性；将改性后的玻璃表面浸入植酸溶液中，反应；在所述植酸溶液中加入三价铁盐，并将玻璃表面在溶液中继续浸泡，使产生的植酸‑Fe3+络合物在表面充分吸附，得到水下超疏油复合镀层。与现有技术相比，本发明提出的3‑氨丙基三乙氧基硅烷和植酸‑Fe3+络合物的复合镀层可以大幅提高表面的亲水性，实现水中超疏油。制备整个镀层的条件温和，不涉及高温、高压等严苛的操作条件。

Description

一种玻璃表面的水下超疏油复合镀层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面镀层改性领域，尤其涉及一种玻璃表面的水下超疏油复合物镀层及其制备方法。
背景技术
水下超疏油表面在各个领域都拥有着潜在的应用价值。由于油相比于水而言表面自由能较低、黏度较高，其在大量固体表面的附着能力远强与水。油污粘附是实际工业生产当中十分常见的，在各种设备上粘附的污油不仅难以清理，而且会降低设备的运行效率，造成结垢、腐蚀等严重生产问题。
水下超疏油表面有极强的抗油污能力。若水中油滴在表面上的接触角大于150℃，该表面即为水下超疏油表面。由于水下超疏油表面对水的亲和力远强于油，在水环境中油滴几乎不会在表面粘附。若水下超疏油表面在空气中被油污覆盖，也可以通过水洗的方式简单有效的对其进行清洁。
当今各种玻璃制品和仪器设备在日常生活和工业生产中都占有重要地位，因此开发一种应用于玻璃表面的处理方法，使玻璃表面拥有水下超疏油能力是具有重要意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于玻璃的表面修饰方式，使其拥有水下超疏油能力。该修饰方式利用3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物在表面形成复合镀层，镀层的微纳结构和较强的亲水性使水中油滴在此镀层表面的接触角大于150℃，实现水下超疏油。
该复合镀层性能优异，具有较强的稳定性和抗磨损能力。镀层本身透明无色，不会改变玻璃本身的颜色和透光性。同时镀层的制备过程简单，条件温和，使用材料无污染，具备环境友好的特点，具有较强的实际应用价值。
本发明所提供的玻璃表面的水下超疏油复合镀层，为：3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物形成的复合镀层。
本发明所提供的玻璃表面的水下超疏油复合镀层，通过包括以下步骤的方法制备得到：
(1)对玻璃表面进行预处理；
(2)将预处理后的玻璃表面浸入到3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中反应实现改性；
(3)将改性后的玻璃表面浸入植酸溶液中，反应；
(4)在第(3)步的植酸溶液中加入三价铁盐，并将玻璃表面在溶液中继续浸泡，使产生的植酸-Fe3+络合物在表面充分吸附，得到水下超疏油复合镀层。
上述方法步骤(1)中，所述预处理的操作为：将玻璃置于浓硫酸和双氧水溶液中浸泡；
其中，浓硫酸与双氧水的体积比可为7:3；
所述浸泡的温度可为80-95℃，时间可为20-40分钟；
步骤(2)中，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中的溶质为3-氨丙基三乙氧基硅烷，溶质为甲苯；
所述3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，3-氨丙基三乙氧基硅烷的浓度可为0.3-1.2mol/L，具体可为0.6mol/L；
所述反应的时间可为4-12小时，具体可为12小时；
步骤(3)中，所述植酸溶液中，植酸的浓度可为0.1-0.3mol/L，具体可为0.02mol/L，所述反应的时间可为1-10分钟，具体可为5分钟；
步骤(4)中，所述三价铁盐具体可为FeCl3；
在向植酸溶液中加入三价铁盐后，混合溶液中植酸和三价铁盐中三价铁离子的物质的量之比可为1：3；
在向植酸溶液中加入三价铁盐，生成植酸-Fe3+络合物，玻璃表面在混合溶液中的继续浸泡的时间可为1-10分钟，具体可为5分钟。
上述玻璃表面的水下超疏油复合镀层在抗油污玻璃制品制备中的应用也属于本发明的保护范围。
本发明提出的3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物的复合镀层的构建原理如下：在经过浓硫酸和双氧水混合溶液处理后玻璃表面羟基化。处理后表面的羟基可以和3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联，使3-氨丙基三乙氧基硅烷稳定接枝在表面。而3-氨丙基三乙氧基硅烷中游离的氨基可以和植酸中的磷酸基团形成化学键，使其在表面吸附，3-氨丙基三乙氧基硅烷会和植酸进行复杂的偶联反应，在表面形成微纳结构。加入FeCl3后，植酸-Fe3 +络合物会在表面逐渐形成和沉积，Fe3+和植酸形成的网状络合物具有极强的亲水性并会在表面进一步形成微纳结构，使表面具备水下超疏油性能。
与现有技术相比，本发明提出的3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物的复合镀层可以大幅提高表面的亲水性，实现水中超疏油。制备整个镀层的条件温和，不涉及高温、高压等严苛的操作条件。镀层使用的主要原料植酸、FeCl3都是无毒无害的物质。其中植酸广泛存在于各种植物当中，价格低廉，且环境友好，实际应用价值高。
附图说明
图1为未经处理的原始玻璃表面和本发明实施例1制备的玻璃表面复合镀层的AFM表面形貌图。
图2为未经处理的原始玻璃表面和本发明实施例1制备的玻璃表面复合镀层上水中油滴的接触角。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明提供一种玻璃表面的水下超疏油复合镀层，所述玻璃表面的水下超疏油复合镀层为：3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物形成的复合镀层。
本发明所提供的玻璃表面的水下超疏油复合镀层，通过包括以下步骤的方法制备得到：
(1)对玻璃表面进行预处理；
(2)将预处理后的玻璃表面浸入到3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中反应实现改性；
(3)将改性后的玻璃表面浸入植酸溶液中，反应；
(4)在第(3)步的植酸溶液中加入三价铁盐，并将玻璃表面在溶液中继续浸泡，使产生的植酸-Fe3+络合物在表面充分吸附，得到水下超疏油复合镀层。
上述方法步骤(1)中，所述预处理的操作为：将玻璃置于浓硫酸和双氧水溶液中浸泡；
其中，浓硫酸与双氧水的体积比可为7:3；
所述浸泡的温度可为80-95℃，时间可为20-40分钟；
步骤(2)中，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中的溶质为3-氨丙基三乙氧基硅烷，溶质为甲苯；
所述3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，3-氨丙基三乙氧基硅烷的浓度可为0.3-1.2mol/L，具体可为0.6mol/L；
所述反应的时间可为4-12小时，具体可为12小时；
步骤(3)中，所述植酸溶液中，植酸的浓度可为0.1-0.3mol/L，具体可为0.02mol/L，所述反应的时间可为1-10分钟，具体可为5分钟；
步骤(4)中，所述三价铁盐具体可为FeCl3；
在向植酸溶液中加入三价铁盐后，混合溶液中植酸和三价铁盐中三价铁离子的物质的量之比可为1：3；
在向植酸溶液中加入三价铁盐形成植酸-Fe3+络合物后，玻璃表面在混合溶液中的继续浸泡的时间可为1-10分钟，具体可为5分钟。
上述玻璃表面的水下超疏油复合镀层在抗油污玻璃制品制备中的应用也属于本发明的保护范围。
与现有技术相比，本发明提出的3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物的复合镀层可以大幅提高表面的亲水性，实现水中超疏油。制备整个镀层的条件温和，不涉及高温、高压等严苛的操作条件。
实施例
首先将待处理玻璃片置于98％浓硫酸和双氧水体积比7:3的混合溶液中加热到90℃持续30分钟。之后将玻璃片取出置于0.6moL/L的3-氨丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中浸泡。12小时后，将玻璃片取出用大量去离子水冲洗后放入100mL浓度为0.02mol/L的植酸溶液中浸泡5分钟，之后向该植酸溶液中加入10mL浓度为0.6mol/L的FeCl3溶液。在植酸溶液中加入FeCl3溶液后，混合溶液中生成大量白色络合物，经过5分钟吸附后将玻璃片取出，用大量去离子水冲洗，此时在玻璃表面已经形成均匀稳定的复合镀层。
使用AFM(原子力显微镜)对制备的复合镀层和未经处理的玻璃表面进行表面形貌表征，结果如图1所示。可以看出在经过表面改性处理后，表面形成了一层均匀致密的络合物镀层，表面粗糙度明显提高。3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物组成的复合物在表面形成了微纳结构，这种粗糙突起可以有效降低油污和表面的接触面积，使油污不易在表面粘附。
使用正十四烷作为油滴，在制备的复合镀层和未经处理的玻璃表面进行了水中油滴的接触角测试，结果如图2所示。可以看出在经过了复合镀层改性处理后，表面在水中的疏油性能有了极大的提高。水中正十四烷油滴在未经处理的原始表面上的接触角为115°，粘附效果较强。在经过复合镀层改性处理的表面上，水中正十四烷的接触角为155°，大于150°，已经到达水下超疏油的状态，油滴和表面的粘附极弱，轻微晃动即可在表面脱落。通过该实施例可以证明，本发明提出的以3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物复合物为涂覆层的玻璃表面水下超疏油镀层性能优异、制备简单，具有实际应用价值。
以上所述仅是本发明的选优实施方式，应当指出，对于本技术领域人员来说，在不脱离本发明的技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种玻璃表面的水下超疏油复合镀层，所述玻璃表面的水下超疏油复合镀层为：3-氨丙基三乙氧基硅烷和植酸-Fe3+络合物形成的复合镀层。
2.制备权利要求1所述的玻璃表面的水下超疏油复合镀层的方法，包括以下步骤：
(1)对玻璃表面进行预处理；
(2)将预处理后的玻璃表面浸入到3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中反应实现改性；
(3)将改性后的玻璃表面浸入植酸溶液中，反应；
(4)在第(3)步的植酸溶液中加入三价铁盐，并将玻璃表面在溶液中继续浸泡，使产生的植酸-Fe3+络合物在表面充分吸附，得到水下超疏油复合镀层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述预处理的操作为：将玻璃置于浓硫酸和双氧水溶液中浸泡；
其中，浓硫酸与双氧水的体积比为7:3；
所述浸泡的温度为80-95℃，时间为20-40分钟。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中的溶质为3-氨丙基三乙氧基硅烷，溶质为甲苯；
所述3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，3-氨丙基三乙氧基硅烷的浓度为0.3-1.2mol/L；
所述反应的时间为4-12小时。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述植酸溶液中，植酸的浓度为0.1-0.3mol/L，
所述反应的时间为1-10分钟。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，
所述三价铁盐为FeCl3；
在向植酸溶液中加入三价铁盐后，混合溶液中植酸和三价铁盐中Fe3+的物质的量之比为1：3；
在向植酸溶液中加入三价铁盐形成植酸-Fe3+络合物后，玻璃表面在混合溶液中继续浸泡的时间为1-10分钟。
7.权利要求2-6中任一项所述方法制备得到的玻璃表面的水下超疏油复合镀层。
8.权利要求1或权利要求7所述的玻璃表面的水下超疏油复合镀层在抗油污玻璃制品制备中的应用。
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