CN113770005B - 一种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料制备技术领域，公开了一种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料及其制备方法。制备方法包括：S1.将PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到PDMS疏水涂层液；S2.将PMMA和PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到PMMA/PDMS超疏水涂层液；S3.将所述PDMS疏水涂层液喷涂在基底上，得到PDMS@疏水表面基底；S4.将所述PMMA/PDMS超疏水涂层液喷涂在PDMS@疏水表面基底上，具有超疏水微纳米颗粒表面的材料。该制备方法简单，制备得到的材料超疏水性能良好。

Description

一种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料及其制备方法。
背景技术
超疏水表面(静态接触角大于150°，滚动接触角小于10°)在自清洁、抗腐蚀、油水分离、抗污、防冰、表面图案化以及减阻等方面的应用广泛。粗糙化表面和低表面能是制备超疏水表面的两大主要因素，具有低表面能的粗糙细缝间存在稳定的气泡，它们会在水滴和固体结构的界面形成障碍层，确保了非浸润性的状态。现有的构造超疏水表面的方法包括溶胶-凝胶法、阳极氧化、化学气相沉积、化学刻蚀、浸渍法等，这些方面在实际应用时存在很多问题，比如有限的实验条件、复杂的操作流程、费时、基底的限制等。因此，开发一种简单、经济、省时、环保的制备超疏水表面的方法非常必要。此外，氟碳化合物经常被用来构建了浸润性表面，然而这些含氟化合物不仅费用高昂而且对人类健康和环境造成了潜在了威胁，所以一类经济且环保的原材料的开发是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料及其制备方法，通过静电喷涂方法直接将低表面能的无氟材料PDMS和PMMA混合溶液喷涂在基底表面，一步实现超疏水表面的制备，制备方法简单，超疏水性能良好。
本发明提供了以下技术方案：
一种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到PDMS疏水涂层液；
S2.将PMMA和PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到PMMA/PDMS超疏水涂层液，其中，所述PMMA、所述PDMS与所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为(1～3)：(1～3)：20；
S3.采用静电纺丝装置将所述PDMS疏水涂层液喷涂在基底上，得到PDMS@疏水表面基底；
S4.采用静电纺丝装置将所述PMMA/PDMS超疏水涂层液喷涂在PDMS@疏水表面基底上，具有超疏水微纳米颗粒表面的材料；
其中，所述静电纺丝装置的条件为：电压15V，流量为0.05～0.5mL/h，接收距离为15cm。
进一步的，所述THF与DMF的混合溶剂中，THF与DMF的质量比为1:1。
进一步的，步骤S1中，所述PDMS与所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为(1～4)：20。
进一步的，步骤S2中，所述PDMS、所述PMMA和所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为1:1：20。
进一步的，步骤S3中，所述基底选自织物、玻璃、钛片、纸、和木头中的一种。
进一步的，步骤S4中，所述静电纺丝装置的流量为0.5mL/h。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的具有超疏水微纳米颗粒表面的材料。
与现有技术相比，本发明制备的该表面具有超疏水性能良好的优点，并且该制备工艺简便、无后续处理，省时省能源；基底通用化，在各种基底表面都能构筑；而且原料成本低易于获取，不含氟，经济且环保，适合环境友好发展的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。其中，
图1为本发明实施例1制备得到的三种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料的表面SEM图；
图2为本发明实施例2制备得到的具有超疏水微纳米颗粒表面的材料的表面SEM图；
图3为对比例3制备得到的具有PDMS/PMMA混合涂层(纤维状)表面的材料的表面SEM图；
图4为对比例1、对比例2和实施例1(静电纺丝装置流量为0.5mL/h)得到的材料表面涂层的SEM图；
图5对比例1、对比例2和实施例1(静电纺丝装置流量为0.5mL/h)得到的材料表面涂层的静态接触角。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，等价形式改动或修改同样落于本申请的权利要求书所限定的范围。
实施例1
S1.称取1g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为1︰10︰10)混合加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到疏水涂层液，以棉织物作为基底，在基底表面设计液滴运输路径，将疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在运输路径上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到具有PDMS疏水涂层表面的基底；
S2.称取1g PMMA，1g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为1︰1︰10︰10)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。将超疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂棉织物基底的PDMS疏水涂层表面上，静电喷涂条件为电压为15V，流量控制为0.05mL/h、0.1mL/h和0.5mL/h，接收距离为15cm，得到三种不同的具有超疏水微纳米颗粒表面的材料，SEM图如图1所示。
图1中，(a)图为流量控制为0.05mL/h得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图；(b)图为流量控制为0.1mL/h得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图；(c)图为流量控制为0.5mL/h得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图。根据图1可知，静电喷涂条件中，当流量为0.05mL/h，0.1mL/h以及0.5mL/h时，所得PDMS/PMMA颗粒直径逐步增大，意味着静电纺丝装置流量(纺丝速率)的增加可以提高最后得到的PDMS/PMMA混合涂层的超疏水性能。另外，从图1可以看出，PDMS/PMMA超疏水涂层表面为微纳米颗粒。
实施例2
S1.称取4g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为4︰10︰10)混合加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到疏水涂层液，以棉织物作为基底，在基底表面设计液滴运输路径，将疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在运输路径上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到具有PDMS疏水涂层表面的基底；
S2.称取3g PMMA，3g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为3︰3︰10︰10)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。将超疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂棉织物基底的PDMS疏水涂层表面上，静电喷涂条件为电压为15V，流量控制为0.5mL/h，接收距离为15cm，在棉织物基底的PDMS疏水涂层表面上形成PDMS/PMMA超疏水涂层表面，SEM图如图2所示，从图2可以发现得到的涂层表面中既有纤维也有颗粒。
对比例1：得到具有PDMS疏水涂层表面的基底
称取1g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为1︰10︰10)混合加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到疏水涂层液，以棉织物作为基底，在基底表面设计液滴运输路径，将疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在运输路径上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到具有PDMS疏水涂层表面的基底。
对比例2：具有PMMA涂层表面的基底
称取1g PMMA，10g THF，10g DMF(质量比为1︰10︰10)混合加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到疏水涂层液，以棉织物作为基底，在基底表面设计液滴运输路径，将疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在运输路径上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到具有PMMA涂层表面的基底。
对比例3：PDMS/PMMA混合涂层(纤维状)表面
称取4g的PMMA，4g的PDMS，10g的THF，10g的DMF(质量比为2︰2︰5︰5)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。将超疏水涂层液通过静电纺丝装置继续喷涂在棉织物基底上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到PDMS/PMMA混合涂层表面，SEM图如图3所示。
对比例4：PDMS/PMMA微纳米颗粒超疏水表面(没有先喷涂PDMS)
称取1g的PMMA，1g的PDMS，10g的THF，10g的DMF(质量比为1︰1︰10︰10)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。将超疏水涂层液通过静电纺丝装置继续喷涂在棉织物基底上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到PDMS/PMMA混合涂层表面。
图4为对比例1、对比例2和实施例1(静电纺丝装置流量为0.5mL/h)得到的材料表面涂层的SEM图。其中，(a)图为对比例1得到的材料中PDMS疏水涂层表面的SEM图，(b)图为对比例2得到的材料中PMMA涂层表面的SEM图，(c)图为实施例1中静电纺丝装置流量为0.5mL/h时得到的材料中PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图。
图5为对比例1、对比例2和实施例1(静电纺丝装置流量为0.5mL/h)得到的材料表面涂层静态接触角。其中，(a)图为对比例1得到的材料中PDMS疏水涂层表面的静态接触角，(b)图为对比例2得到的材料中PMMA涂层表面的静态接触角，(c)图为实施例1中静电纺丝装置流量为0.5mL/h时得到的材料中PDMS/PMMA超疏水涂层表面的静态接触角。
根据图4、图5可以看到，PDMS疏水涂层表面呈现一层凝胶层，无粗糙结构，静态接触角为121.7°；PMMA涂层表面被一层均匀的颗粒所覆盖，静态接触角为151.8°，这说明PMMA组分通过静电喷涂技术可以实现均匀颗粒结构的构筑；PDMS/PMMA超疏水涂层表面也呈现了一层均匀的颗粒，接触角进一步提高到164.8°，这说明与PMMA涂层表面相比，PDMS组分的加入进一步降低了体系的表面能，提高了超疏水性能。
测试例
样品1：实施例1中静电纺丝装置流量为0.5mL/h时得到的具有PDMS/PMMA超疏水涂层表面的材料；
样品2：对比例4得到的具有PDMS/PMMA微纳米颗粒超疏水表面的材料(未先喷涂PDMS)。
水洗耐久性试验：在2A条件下，将样品1和样品2按照AACC61-2006标准方法进行了水洗耐久性试验，在经过5次水洗测试后，测试结果如下表所示。可见，样品2表面的静态接触角会降低到123.7°，样品1表面的静态接触角只有小幅度的下降，依然达到153.2°。
耐摩擦牢度实验：以未处理的棉为磨料，将样品1和样品2以3cm s-1的速度沿着同一方向摩擦，经过200次摩擦测试后，测试结果如下表所示。可见，样品2表面的静态接触角降低到100.6°，样品1表面的静态接触角只有小幅度的下降，依然达到151.6°。
Figure BDA0003266660140000041
水洗耐久性试验和耐摩擦牢度实验结果表面：先在基底表面喷涂一层PDMS，可以增加再次喷涂的PDMS/PMMA微纳米颗粒超疏水表面与基底的结合力，不易被破坏。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种具有超疏水微纳米颗粒表面的材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到PDMS疏水涂层液；
S2.将PMMA和PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到PMMA/PDMS超疏水涂层液，其中，所述PMMA、所述PDMS与所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为1:1:20；
S3.采用静电纺丝装置将所述PDMS疏水涂层液喷涂在基底上，得到PDMS@疏水表面基底；
S4.采用静电纺丝装置将所述PMMA/PDMS超疏水涂层液喷涂在PDMS@疏水表面基底上，具有超疏水微纳米颗粒表面的材料；
其中，所述静电纺丝装置的条件为：电压15 V，流量为0.5 mL/h，接收距离为15 cm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述THF与DMF的混合溶剂中，THF与DMF的质量比为1:1。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述PDMS与所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为（1~4）：20。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述基底选自织物、玻璃、钛片、纸、和木头中的一种。
5.权利要求1~4任一项所述制备方法制备得到的具有超疏水微纳米颗粒表面的材料。
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