CN113634468A - 一种具有磁性坚固超疏水表面及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性坚固超疏水表面及其制备方法。在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，形成混合溶液A，再向A中加入无机纳米颗粒，继续用摇床充分混合30‑60min，获得超疏水涂层悬浊液;将喷胶喷涂于各种基底上，自然晾5分钟，即可获得“喷胶+基底”；将超疏水涂层悬浊液涂覆在“喷胶+基底”上，制备获得具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面。本发明提供了一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面,制备工艺非常简单,反应条件十分温和，可适用于多种不同的基底和大规模生产，机械稳定性和化学稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于超疏水表面制备技术领域,具体涉及一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面及其制备方法。
背景技术
超疏水性是自然界中的常见现象：莲花叶子保持“出淤泥而不染”;水蝇的腿使它们自由地滑过水面滑行;蝴蝶翅膀不沾水。通过调节表面形态和化学组成，从生物体上学习到的超疏水经验已经有大量应用，如自清洁，油水分离，防腐，防冰，减阻等。
自清洁是超疏水表面研究最理想的特性之一。自然界中典型的自清洁现象是在荷叶上观察到的，即“荷叶效应”。落在荷叶上的水滴保持着近乎完美的球形，可以很容易地滚落，带走表面的灰尘颗粒。科研工作者通过模仿荷叶的表面形态，开发各种人工超疏水表面。实现超疏水性的前提有两点：表面粗糙度和低表面能物质。根据定义，超疏水表面的特征是水接触角大于150°，滑动角小于10°。由于其独特的自清洁特性，超疏水表面在跨学科技术领域具有许多潜在的应用，包括生物传感器、智能结构涂层材料和微流体。
通常，自清洁材料可分为两部分：（1）“荷叶效应”的超疏水表面，（2）金属氧化物光催化剂。第一种是通过滚动水滴清除污垢以保持干净的表面。至于第二种，通过在紫外照明下，光催化剂上激发出自由基来降解有机污染。然而，在制备过程中，含氟硅烷，长碳链的有机化合物通常用作低表面能组合物，以获得超疏水材料.，这些非润湿金属氧化物光催化剂上的有机分子很容易被紫外刺激分解，很难同时实现这两种自我清洁，因此制备抗紫外的超疏水表面是一个挑战。
近年来，随着城市化和工业化的加快，频繁的溢油和有机化学品排放造成了能源损失、环境污染和生态破坏等环境问题。这些问题越来越引起科学家和环境工作者的关注，因此，开发一种低成本、有效、方便的油水分离技术势在必行。传统的油水分离路线包括原位燃烧，降解，分散剂和其他物理分离方法。然而，这些传统的策略有缺点，如效率低，运行成本高和生态不友好。因此，需要更先进的技术来分离各种油水混合物。首先，在海洋溢油事故中，为了及时将泄露的油从海面回收，需要一种简单有效的方式来准确定位油的位置，然后回收油。其次，现有的油水分离材料大多机械强度较低，当受到外力破坏时，材料的表面疏水性降低，内部完整性受损，形成裂纹等缺陷，防护能力下降。磨损性能差的主要原因之一是涂层和基体之间的粘附强度低。提高材料坚固性迫在眉睫。限制超疏水材料广泛应用的原因就是成本高，很难大批量生产，因此急需一种简单、方便、成本低的方法来制备超疏水表面。这些问题限制了超疏水材料的实际应用。因此，制作自清洁、抗紫外、导航移动、机械强度高、制备方法简单的超疏水表面已成为研究人员开发的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁性坚固超疏水表面及其制备方法，具有自清洁、抗紫外的功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种磁性坚固超疏水表面的制备方法，在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30 min，得到混合溶液A，然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒,，继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液；将喷胶喷涂于各种基底上，自然放置5分钟，即可获得“喷胶+基底”；将超疏水悬浊液涂覆在“喷胶+基底”上，制备获得具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面；所述无水乙醇的质量浓度为99.5-99.8%，无机纳米颗粒加入的量为混合溶液A质量的15~20%，无机纳米颗粒为Fe3O4和TiO2，低表面能氟化物的加入量为混合溶液A质量的4~8%。
上述方案中，所述的无机纳米颗粒为Fe3O4和TiO2。
上述方案中，所述低表面能的氟化物为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷。
上述方案中，制备的超疏水涂料喷涂到“喷胶+基底”上，使用了喷胶来增加表面的机械强度。
上述方案中，所述的基底为玻璃、钢板、木板、A4纸、不锈钢网、聚四氟乙烯片、塑料密封袋、纸巾、棉布中的任意一种。
上述方案中， 在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30min,得到混合溶液A,然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒,继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液;将喷胶喷涂于各种基底上，自然晾5分钟，即可获得“喷胶+基底”；将超疏水悬浊液涂覆在“喷胶+基底”上,制备具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面。
本发明还提供了一种利用上述方法制备获得的具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面。
本发明的有益效果：1. 超疏水性能好，其接触角大于152°,滚动角小于5°。2.制备工艺简单,操作步骤少，反应条件温和,可适用于多种不同的基底和大规模生产。3.采用了喷胶的简单操作，使表面机械稳定性好。4.超疏水表面不仅对表面污染物具有自清洁功能,而且在油下也具有自清洁功能。5.具有抗紫外功能，可以达到100%抗紫外。6.具有磁性导航的功能。
附图说明
图1为实施例1 中超疏水表面的扫描电镜图。
图2为实施例1中水滴滴在玻璃基底的超疏水表面上的静态接触角照片。
图3为实施例1中水滴滴在撒有灰尘粉末的玻璃基底的超疏水表面上。
图4为实施例1中测试机械稳定性照片(a) 玻璃，(b) 钢板，(c) A4纸，(d)不锈钢网。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案,但本发明的保护范围不限于此:
一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面的制备方法，在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A,然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液;将喷胶喷涂于各种基底上，自然放置5分钟，即可获得“喷胶+基底”；将超疏水悬浊液涂覆在“喷胶+基底”上,制备获得具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面。
其中,所述无水乙醇的质量浓度为99.5-99.8%, 无机纳米颗粒加入的量为混合溶液A质量的10~20%,低表面能氟化物的加入量为混合溶液A质量的3~9%。
所述的无机纳米颗粒为Fe3O4和TiO2。
所述低表面能的氟化物为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷。
所述的喷胶为3M-75号喷胶。
所述的超疏水悬浊液是涂覆到已经喷涂了胶水的任意基底上，即“喷胶+基底”上。
具体的，超疏水悬浊液的制备过程如下: 在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A,然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒,继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。
将3M-75号喷胶，喷涂于各种基底上，自然晾5分钟，即可获得“喷胶+基底”。
将超疏水悬浊液涂覆在“喷胶+基底“上时,可以采用喷涂、浸渍、旋涂和滴涂中的任意一种。
经过超疏水悬浊液处理过的基底可以在常温下自然晾干，也可以用低温的吹风吹干。
具体的,本发明一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面的制备方法十分简单,包括以下步骤:
（1）超疏水悬浊液的制备:在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A;然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。
（2）“喷胶+基底”的制备：将3M-75号喷胶，喷涂于各种基底上自然放置5分钟，即可获得“喷胶+基底”。
（3）超疏水表面的制备:将悬浊液涂覆于已经喷胶的基底上,通过自然挥发的方法即可制备具有自清洁、抗紫外的磁性坚固的超疏水表面。
本发明基于无机纳米粒子制备的超疏水表面，表面具有微纳米粗糙结构。在超疏水表面的制备过程中, 在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30min,得到混合溶液A;然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。该悬浊液可以通过喷涂、浸涂和滴涂等方法涂覆于不同的“喷胶+基底”上。制得的超疏水表面不仅具有粗糙的微纳米结构且具有较低的表面能, 将2uL水滴加在超疏水表面，其接触角为152°左右,滚动角小于5°，因为高静态接触角以及较小的滚动角赋予超疏水表面优异的自清洁能力，而且表面在油下也具有自清洁功能
由于二氧化钛纳米粒子具有高折光性和高光活性从而显示出强抗紫外线能力。纳米级二氧化钛由于粒径小，活性大，既能反射、散射紫外线，又能吸收紫外线，从而对紫外线有更强的阻隔能力。在表面中存在十分稳定,从而可以达到长期持续抗紫外的目的。此外，Fe3O4颗粒具有极好的磁性,可以通过利用磁性进行导航。通过喷胶来加强表面的机械稳定性，生产成本低，操作简便，作为一种新型的多功能超疏水表面,有望在自清洁、抗紫外领域获得广泛应用,所述表面可达到100%抗紫外。
实施例1
一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面,制备方法如下:
（1）超疏水悬浊液的制备:在无水乙醇中先加入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A;然后在混合溶液A中加入5gFe3O4纳米颗粒和1gTiO2纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。
（2）“喷胶+基底”的制备：将3M-75号喷胶，喷涂于各种基底上，自然放置5分钟，即可获得“喷胶+基底”。
（3）超疏水表面的制备:将超疏水悬浊液涂覆于基底上,通过自然挥发的方法即可制备具有自清洁、抗紫外的磁性坚固的超疏水表面。
超疏水悬浊液也可涂覆在玻璃、钢板、木板、A4纸、不锈钢网、聚四氟乙烯片、塑料密封袋、纸巾、棉布等的任意一种表面上，以下实施例相同。
超疏水表面自清洁功能检测:
将上述步骤（3）经过超疏水悬浊液处理后的形成有超疏水表面的玻璃片倾斜30°左右,将灰尘粉末撒在表面。从表面上方缓慢滴加水,观察表面的自清洁效果。采用扫描电镜放大30000倍观察样品表面的微观形貌,如图1所示,超疏水表面由于纳米级Fe3O4颗粒和TiO2颗粒成功的构建出微纳米级粗糙结构。用TIME3200手持式粗糙度仪测量表面粗糙度,Ra=790nm,证明超疏水表面具有较大的粗糙度。
采用接触角测量仪测定所制备的超疏水表面的接触角,如图2所示,经过超疏水处理的玻璃片的水滴接触角为152°，其滚动角小余5°。由于具有较高的接触角和较小的滚动角,涂层具有较好的自清洁功能,如图3所示,水滴很容易从表面上快速滚落从而带走表面的污染物。
超疏水表面的抗紫外检测:
将玻璃基底的超疏水表面置于100W，220V的紫外灯下，进行照射。每十二个小时测一次接触角。疏水表面不受紫外灯光照射的影响，接触角保持在152°左右。可以证明其抗紫外性能达到100%。
超疏水表面的磁性检测:
将超疏水悬浊液处理的泡沫铜置于水面上，用磁铁吸引，可以使泡沫铜按照规定路线移动。
超疏水表面的机械稳定性检测:
采用刀痕实验，对超疏水表面的机械稳定性进行检测。如图4，将超疏水悬浊液涂覆到玻璃、钢板、A4纸、不锈钢网表面上，然后用刀进行划痕处理，在表面滴水，水滴很容易从表面上快速滚落。
实施例2
一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面,制备方法如下:
（1）超疏水涂层悬浊液的制备:在无水乙醇中先加入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A;然后在混合溶液A中加入4gFe3O4纳米颗粒和2gTiO2纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。
（2）“喷胶+基底”的制备：同实施例l。
（3）超疏水表面的制备: 同实施例l。
按照实施例1的方法进行超疏水表面自清洁、抗紫外、磁性、机械稳定性的检测，其接触角为150°，滚动角为5° ; 抗紫外性能达到100%，具有磁性和良好的机械稳定性。
实施例3
一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面,制备方法如下:
（1）超疏水悬浊液的制备:在无水乙醇中先加入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A;然后在混合溶液A中加入3gFe3O4纳米颗粒和3gTiO2纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。
（2）“喷胶+基底”的制备：同实施例l。
（3）超疏水表面的制备: 同实施例l。
按照实施例1的方法进行超疏水表面自清洁、抗紫外、磁性、机械稳定性的检测，其接触角为151°，滚动角为5° ; 抗紫外性能达到100%，具有磁性和良好的机械稳定性。
实施例4
一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面,制备方法如下:
（1）超疏水悬浊液的制备:在无水乙醇中先加入 1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A;然后在混合溶液A中加入2gFe3O4纳米颗粒和4gTiO2纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。
（2）“喷胶+基底”的制备：同实施例l。
（3）超疏水表面的制备: 同实施例l。
按照实施例1的方法进行超疏水表面自清洁、抗紫外、磁性、机械稳定性的检测，其接触角为151°，滚动角为5° ; 抗紫外性能达到100%，具有磁性和良好的机械稳定性。
实施例5
一种具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面,制备方法如下:
（1）超疏水悬浊液的制备:在无水乙醇中先加入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A;然后在混合溶液A中加入1gFe3O4纳米颗粒和5gTiO2纳米颗粒, 继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液。
（2）“喷胶+基底”的制备：同实施例l。
（3）超疏水表面的制备: 同实施例l。
按照实施例1的方法进行超疏水表面自清洁、抗紫外、磁性、机械稳定性的检测其接触角为151°，滚动角为5° ; 抗紫外性能达到100%，具有磁性和良好的机械稳定性。
本发明具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面及制备方法与现有技术相比，具有如下优点:
1. 超疏水性能好，其接触角大于152°,滚动角小于5°。
2.制备工艺简单,操作步骤少，反应条件温和,可适用于多种不同的基底和大规模生产。
3.采用了喷胶的简单操作，使表面机械稳定性好。
4.超疏水表面不仅对表面污染物具有自清洁功能,而且在油下也具有自清洁功能。
5.具有抗紫外功能，可以达到100%抗紫外。
6.具有磁性导航的功能。
Claims (7)
1.一种磁性坚固超疏水表面的制备方法，其特征在于，在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30 min，得到混合溶液A，然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒,，继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液；将喷胶喷涂于各种基底上，自然放置5分钟，即可获得“喷胶+基底”；将超疏水悬浊液涂覆在“喷胶+基底”上，制备获得具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面；所述无水乙醇的质量浓度为99.5-99.8%，无机纳米颗粒加入的量为混合溶液A质量的15~20%，无机纳米颗粒为Fe3O4和TiO2，低表面能氟化物的加入量为混合溶液A质量的4~8%。
2.如权利要求1所述的具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面的制备方法,其特征在于，所述的无机纳米颗粒为Fe3O4和TiO2。
3.如权利要求1所述的具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面的制备方法,其特征在于，所述低表面能的氟化物为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷。
4.如权利要求1所述的具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面的制备方法,其特征在于，制备的超疏水涂料喷涂到“喷胶+基底”上，使用了喷胶来增加表面的机械强度。
5.如权利要求1所述的有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面的制备方法,其特征在于,所述的基底为玻璃、钢板、木板、A4纸、不锈钢网、聚四氟乙烯片、塑料密封袋、纸巾、棉布中的任意一种。
6.如权利要求1-5任一所述的具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面的制备方法,其特征在于, 在无水乙醇中先加入低表面能的氟化物，用摇床充分混合20-30 min,得到混合溶液A,然后在混合溶液A中加入无机纳米颗粒,继续用摇床充分混合30-60min，即可获得超疏水悬浊液;将喷胶喷涂于各种基底上，自然晾5分钟，即可获得“喷胶+基底”；将超疏水悬浊液涂覆在“喷胶+基底”上,制备具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面。
7.权利要求1-6任一方法制备获得的具有自清洁、抗紫外的磁性坚固超疏水表面。
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