CN115805180A - 超疏水材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超疏水技术领域，提供一种超疏水材料及其制备方法。该超疏水材料包括：基材，表面形成有多个微米凹槽；与所述微米凹槽对应的超疏水单元，包括多个超疏水纳米粒子；所述超疏水单元填充在对应的所述微米凹槽内，且所述超疏水单元相对所述表面平齐或凹陷。该制备方法包括以下步骤：在基材的表面制作出多个微米凹槽；在所述微米凹槽内填充超疏水单元，以使所述超疏水单元相对所述表面平齐或者凹陷；其中，所述超疏水单元包括多个超疏水纳米粒子。本发明中微米凹槽的侧壁围绕着对应的超疏水单元，超疏水纳米粒子不超出基材的表面，使得超疏水纳米粒子在微米凹槽的保护下不易被磨损，从而显著提高了超疏水材料的耐磨性。

Description

超疏水材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超疏水技术领域，尤其涉及超疏水材料及其制备方法。

背景技术

超疏水表面是指与水的接触角大于150°、滚动接触角小于10°的界面。超疏水表面具有优异的抗水、斥水性能，在自清洁表面、金属防护以及防冰抗冰等领域有巨大的应用前景。相关技术中超疏水材料的制备方法主要有两种：一种是在基材表面构建出凸起的微纳结构；另外一种是将具有低表面能微米级粉粒和纳米级粉粒均匀地修饰在基材表面的粗糙结构上，以形成微纳结构。微纳结构对于超疏水性能有决定性作用，但是因微纳米结构的机械脆弱性导致超疏水表面不耐磨。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超疏水材料，以解决现有超疏水表面不耐磨的技术问题。

本发明还提出一种超疏水材料的制备方法，以解决现有超疏水表面不耐磨的技术问题。

根据本发明第一方面实施例的超疏水材料包括：

基材，表面形成有多个微米凹槽；

与所述微米凹槽对应的超疏水单元，包括多个超疏水纳米粒子；所述超疏水单元填充在对应的所述微米凹槽内，且所述超疏水单元相对所述表面平齐或凹陷。

根据本发明实施例的超疏水材料，通过在基材的表面设置多个微米凹槽，并将超疏水纳米粒子填充在微米凹槽内，就可使基材具有超疏水性。由于微米凹槽的侧壁围绕着对应的超疏水单元，而超疏水单元相对基材的表面平齐或凹陷，也就是说，超疏水纳米粒子不超出基材的表面，因此超疏水纳米粒子在微米凹槽的保护下不易被磨损，从而显著提高了超疏水材料的耐磨性。

根据本发明的一个实施例，所述超疏水纳米粒子为改性后的纳米二氧化硅粒子。

根据本发明的一个实施例，所述纳米二氧化硅粒子的粒径为20nm～50nm。

根据本发明的一个实施例，所述基材为金属板、玻璃板或塑料板。

根据本发明的一个实施例，所述微米凹槽的深度为100um～1000um，所述微米凹槽在所述表面的投影的结构尺寸为不大于500um。

根据本发明第二方面实施例的超疏水材料的制备方法，包括以下步骤：

在基材的表面制作出多个微米凹槽；

在所述微米凹槽内填充超疏水单元，以使所述超疏水单元相对所述表面平齐或者凹陷；其中，所述超疏水单元包括多个超疏水纳米粒子。

根据本发明的一个实施例，所述在基材的表面制作出多个微米凹槽，包括以下步骤：

在所述基材的表面覆盖模板，所述模板形成有多个微米通孔；

将蚀刻液涂覆在所述模板背向所述基材的一侧，以使所述蚀刻液通过所述微米通孔在所述基材上侵蚀出所述微米凹槽。

根据本发明的一个实施例，所述在所述微米凹槽内填充超疏水单元，包括以下步骤：

将所述超疏水纳米粒子涂覆在筛网上；

将所述筛网涂覆有所述超疏水纳米粒子的一侧覆盖在所述表面；

对所述筛网热压，以使所述超疏水纳米粒子流入所述微米凹槽；

经过预设时长后，取下所述筛网。

根据本发明的一个实施例，在执行所述在基材的表面制作出多个微米凹槽的步骤之后、且在执行所述在所述微米凹槽内填充超疏水单元的步骤之前还包括以下步骤：

利用表面改性剂对纳米粒子进行改性，以获得所述超疏水纳米粒子。

根据本发明的一个实施例，所述表面改性剂包括氟化物或硅烷偶联剂。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明的超疏水材料通过在基材的表面设置多个微米凹槽，并将超疏水纳米粒子填充在微米凹槽内，就可使基材具有超疏水性。由于微米凹槽的侧壁围绕着对应的超疏水单元，而超疏水单元相对基材的表面平齐或凹陷，也就是说，超疏水纳米粒子不超出基材的表面，因此超疏水纳米粒子在微米凹槽的保护下不易被磨损，从而显著提高了超疏水材料的耐磨性。

本发明的超疏水材料的制备方法操作便捷、成本低廉，通过在基材的表面制作出多个微米凹槽，并在微米凹槽内填充超疏水纳米粒子，不仅可使基材具有超疏水性，而且超疏水纳米粒子在微米凹槽的保护下不易被磨损，从而显著提高了超疏水材料的耐磨性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的超疏水材料的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的超疏水材料的俯视示意图；

图3是图2在A-A处的剖视图；

图4是图3在B处的放大图；

图5是本发明实施例提供的微米凹槽的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的超疏水纳米粒子的静态水接触角的照片；

图7是本发明实施例提供的超疏水纳米粒子的油接触角的照片；

图8是本发明实施例提供的超疏水纳米粒子摩擦后的静态水接触角的照片。

附图标记：

100、基材；101、微米凹槽；

200、超疏水纳米粒子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

结合图1至图5所示，本发明实施例提供了一种超疏水材料，该超疏水材料包括基材100，基材100的表面形成有多个微米凹槽101，顾名思义微米凹槽101的结构参数为微米级别；微米凹槽101内填充有超疏水单元，超疏水单元包括多个超疏水纳米粒子200，顾名思义超疏水纳米粒子200的粒径为纳米级别；超疏水单元相对基材100的表面平齐或凹陷，也就是说，超疏水纳米粒子200不超出基材100的表面。

可见，本实施例中的超疏水材料通过在基材100的表面设置多个微米凹槽101，并将超疏水纳米粒子200填充在微米凹槽101内，就可使基材100具有超疏水性。由于微米凹槽101的侧壁围绕着对应的超疏水单元，而超疏水单元相对基材100的表面平齐或凹陷，也就是说，超疏水纳米粒子200不超出基材100的表面，因此超疏水纳米粒子200在微米凹槽101的保护下不易被磨损，从而显著提高了超疏水材料的耐磨性。

以图1所示的方位为基准，基材100的顶面按照矩形阵列分布有多个微米凹槽101，微米凹槽101在基材100表面的投影形状也即微米凹槽101的横截面形状为矩形，微米凹槽101内填充有超疏水纳米粒子200例如改性后的纳米sio₂粒子，改性后的纳米sio₂粒子不超出基材100的顶面。当然，需要说明的是，基材100的底面也可以设置多个微米凹槽101，这些微米凹槽101内也填充超疏水纳米粒子200。在此情况下，该超疏水材料的两个相对面均有疏水性。此外，微米凹槽101在基材100表面的分布形式可以但不限于是矩形阵列、环形阵列、梅花形分布等。此外，微米凹槽101在基材100表面的投影形状可以但不限于是多边形、圆形、椭圆形或异形。基材100可以但不限于是金属板、玻璃板或塑料板。

超疏水纳米粒子200的粒径为20nm～50nm，微米凹槽101的深度范围为100um～1000um，微米凹槽101在基材100表面的投影的结构尺寸不大于500um，例如，对于矩形微米凹槽101来说，上文所说的“结构尺寸”是指微米凹槽101的长度和宽度，也即，微米凹槽101的长度和宽度范围为不大于500um；对于圆形微米凹槽101来说，上文所说的“结构尺寸”是指微米凹槽101的直径，也即，微米凹槽101的直径不大于500um。在上述尺寸范围下超疏水材料的疏水性能和耐磨性能最佳，此外超疏水纳米粒子200的附着力也是最佳。

本发明实施例还提供一种超疏水材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S1、在基材100的表面制作出多个微米凹槽101，具体地：在基材100的表面覆盖模板，模板形成有多个微米通孔；将蚀刻液涂覆在模板背向基材100的一侧。由于模板形成有多个微米通孔，因此蚀刻液会通过微米通孔浸在基材100上，进而在基材100上侵蚀出微米凹槽101。需要说明的是，除了可以采用蚀刻的方式在基材100表面制作微米凹槽101以外，还可以采用激光等方式。

S2、在微米凹槽101内填充包括多个超疏水纳米粒子200的超疏水单元，以使超疏水单元相对基材100的表面平齐或者凹陷。具体地：首先将超疏水纳米粒子200涂覆在筛网上；其中，筛网可选用目数不小于500目，筛孔的直径不大于25um的筛网；接着，将筛网涂覆有超疏水纳米粒子200的一侧覆盖在基材100的一面；然后，在预设温度例如160℃下按照预设压力例如10MPa对筛网施加压力，筛网受压后筛网与基材100之间的超疏水纳米粒子200就会流入微米凹槽101；最后，经过持续施加压力预设时长例如10min后,超疏水纳米粒子200就固化在对应的微米凹槽101中，此时可取下筛网。其中，预设温度可为120℃～180℃，预设压力可为10Mpa～20Mpa，预设时长可为10min～20min。其中，预设温度、预设时长和预设压力可根据基材100的材质来具体确定。基材100可以但不限于是金属板、玻璃板或塑料板。

本发明实施例还提供另一种超疏水材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S1’、在基材100的表面覆盖模板，模板形成有多个微米通孔；将蚀刻液涂覆在模板背向基材100的一侧，以在基材100上侵蚀出微米凹槽101。

S2’、利用表面改性剂对纳米粒子进行改性，以获得超疏水纳米粒子200；纳米粒子经过表面改性剂处理后，不仅可以使纳米粒子具有疏水性，而且还可以防止多个纳米粒子团聚在一起。其中，表面改性剂包括氟化物或硅烷偶联剂。例如，利用硅烷偶联剂对纳米sio₂粒子进行改性，以获得超疏水纳米sio₂粒子。

S3’、先将超疏水纳米粒子200涂覆在筛网上；接着，将筛网涂覆有超疏水纳米粒子200的一侧覆盖在基材100的一面；然后，在160℃下以10MPa对筛网施加压力，筛网受压后筛网与基材100之间的超疏水纳米粒子200就会流入微米凹槽101；最后，经过持续施加压力10min后,取下筛网。

超疏水表面是指与水的接触角大于150°的界面，图6和图7为对本发明实施例中的超疏水材料进行疏水性试验的结果：如图6所示，该超疏水材料的静态水接触角CA的平均值为153.146°；如图7所示，该超疏水材料的油接触角CA为150.430°。可见，在未摩擦的情况下，本发明实施例中的超疏水材料具有良好的疏水性。图8为对采用本发明实施例中的超疏水材料进行耐磨性试验后再进行疏水性试验的结果：如图8所示，该超疏水材料的静态水接触角CA为152.238°，可见，该超疏水材料经过多次摩擦后仍具有良好的疏水性。其中，对超疏水材料进行的耐磨性试验可以包括以下步骤：先在纱布上蘸取酒精，然后按照5N的作用力在基材100填充有超疏水纳米粒子200的表面来回擦拭50次；接着再进行疏水性试验。由上可知，采用本实施例中的超疏水材料的制备方法获得的超疏水材料不仅具有良好的超疏水性，还具有较强的耐磨性。

由上可知，本实施例中的超疏水材料的制备方法通过在基材100的表面制作出多个微米凹槽101，并在微米凹槽101内填充超疏水纳米粒子200，不仅可使基材100具有超疏水性，而且超疏水纳米粒子在微米凹槽101的保护下不易被磨损，从而显著提高了超疏水材料的耐磨性。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种超疏水材料，其特征在于，包括：

基材，表面形成有多个微米凹槽；

与所述微米凹槽对应的超疏水单元，包括多个超疏水纳米粒子；所述超疏水单元填充在对应的所述微米凹槽内，且所述超疏水单元相对所述表面平齐或凹陷。

2.根据权利要求1所述的超疏水材料，其特征在于，所述超疏水纳米粒子为改性后的纳米二氧化硅粒子。

3.根据权利要求2所述的超疏水材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅粒子的粒径为20nm～50nm。

4.根据权利要求1所述的超疏水材料，其特征在于，所述基材为金属板、玻璃板或塑料板。

5.根据权利要求1所述的超疏水材料，其特征在于，所述微米凹槽的深度为100um～1000um，所述微米凹槽在所述表面的投影的结构尺寸为不大于500um。

6.一种权利要求1至5任一项所述的超疏水材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基材的表面制作出多个微米凹槽；

在所述微米凹槽内填充超疏水单元，以使所述超疏水单元相对所述表面平齐或者凹陷；其中，所述超疏水单元包括多个超疏水纳米粒子。

7.根据权利要求6所述的超疏水材料的制备方法，其特征在于，所述在基材的表面制作出多个微米凹槽，包括以下步骤：

在所述基材的表面覆盖模板，所述模板形成有多个微米通孔；

将蚀刻液涂覆在所述模板背向所述基材的一侧，以使所述蚀刻液通过所述微米通孔在所述基材上侵蚀出所述微米凹槽。

8.根据权利要求6所述的超疏水材料的制备方法，其特征在于，所述在所述微米凹槽内填充超疏水单元，包括以下步骤：

将所述超疏水纳米粒子涂覆在筛网上；

将所述筛网涂覆有所述超疏水纳米粒子的一侧覆盖在所述表面；

对所述筛网热压，以使所述超疏水纳米粒子流入所述微米凹槽；

经过预设时长后，取下所述筛网。

9.根据权利要求6所述的超疏水材料的制备方法，其特征在于，在执行所述在基材的表面制作出多个微米凹槽的步骤之后、且在执行所述在所述微米凹槽内填充超疏水单元的步骤之前还包括以下步骤：

利用表面改性剂对纳米粒子进行改性，以获得所述超疏水纳米粒子。

10.根据权利要求9所述的超疏水材料的制备方法，其特征在于，所述表面改性剂包括氟化物或硅烷偶联剂。

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