CN116574303A - 一种耐磨损的复合网络结构超疏水表面 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种耐磨损的复合网络结构超疏水表面，属于高分子复合材料技术领域，该复合网络结构由填充材料填充在多孔基底的孔中形成，填充材料与基底材料的耐磨损能力不同，通过摩擦磨损后形成的超疏水的表面微结构，该结构是通过摩擦生成，因此摩擦磨损不但不会破坏该表面的疏水结构，反而可以起到更新疏水结构的作用，即使受到不同程度磨损也不会破坏其表面疏水性，因而具备耐磨损的能力。该结构中基底与填充材料可以采用均具有疏水性的材料制备，也可以采用一方疏水一方亲水的材料制备，形成整体疏水的超疏水表面或疏水‑亲水交替的超疏水表面，以获得不同功能的超疏水表面。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料领域。
背景技术
超疏水性是一种特殊的浸润性，水滴可以在超疏水表面呈球状滚动而不浸润，水滴与超疏水表面接触角一般大于150°。超疏水表面用途广泛，在防水、自清洁、防冰、油水分离、生物医学等方面有着很大的应用潜力。目前超疏水表面一般是通过在固体表面形成特殊的微纳结构来实现的，但是在受到机械磨损、冲击后表面微纳结构极易遭到破坏，目前主要的解决方式是提高超疏水表面的机械强度，但是在长时间的冲击或者磨损后仍然无法避免上述问题的出现。
发明内容
为了解决现有超疏水表面在坚固性和耐久性方面所存在的问题，本发明提出了一种耐磨损的复合网络结构超疏水表面，所述的复合网络结构由填充材料填充在多孔基底的孔中形成，所述多孔基底的孔隙率在60-90％之间，所述的多孔基底孔径尺寸在125-500μm之间；填充材料的磨损量与基底材料不同，且基底材料与填充材料中至少一种为疏水性材料。
优选地，所述多孔基底的材质为硅橡胶或聚氨酯，填充材料的材质为环氧树脂、聚氨酯或硅橡胶。
一种耐磨损的复合网络结构超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备多孔基底；
(2)将填充材料溶液填充在多孔基底的孔中；所述的填充材料溶液由填充材料、固化剂和溶剂组成；填充材料与溶剂的质量比为(1～3)：(1～2)；
(3)使填充材料固化，获得所述耐磨损的复合网络结构超疏水表面。
优选地，所述填充材料为环氧树脂时，其与溶剂的质量比为3：1，为聚氨酯时，其与溶剂质量比为3：2，为硅橡胶时，其与溶剂质量比为1：1
步骤(1)制备多孔基底的步骤如下：
a、将多孔基底的基体材料、造孔剂、固化剂和溶剂混合获得混合溶液；
b、将混合溶液倒入模具中，并在室温下固化；
c、开模后将其在60℃条件下水浴加热24h以溶解造孔剂；
d、在60℃烘箱中烘干后获得多孔基底；
所述的造孔剂优选为氯化钠颗粒。
多孔基底的材质为硅橡胶或聚氨酯，当多孔基底的基体材料为硅橡胶时，硅橡胶与氯化钠的质量比为1:(2.75～3.5)；当多孔基底的基体材料为聚氨酯时，聚氨酯与氯化钠的质量比为1:(6～9)。
本发明的有益效果：
本发明提出的复合网络结构超疏水表面的表面疏水结构是通过摩擦磨损后形成的，因此摩擦磨损不但不会破坏该表面的疏水结构，反而可以起到更新疏水结构的作用，即使受到不同程度磨损也不会破坏其表面疏水性，因而具备耐磨损的能力。
该复合网络结构超疏水表面的基底与填充材料可以采用均具有疏水性的材料制备，也可以采用一方疏水一方亲水的材料制备，形成整体疏水的超疏水表面或疏水-亲水交替的超疏水表面，以获得不同功能的超疏水表面。
本发明可以通过使用不同的基底与填充材料，获得不同机械性能与化学性能的超疏水表面，以实现弹性模量、拉伸模量、耐酸耐碱等物理、化学性能的调控，以满足不同的需求。
附图说明
图1本发明中复合网络结构超疏水表面耐磨损原理示意图；
图2实施例1硅橡胶-环氧树脂复合表面接触角测试结果图；(a)为实施例1硅橡胶-环氧树脂复合表面的照片，(b)为表面接触角测试结构(c)砂纸摩擦后表面接触角测试结果；
图3实施例2硅橡胶-聚氨酯复合表面接触角测试结果图；(a)为实施例2硅橡胶-环氧树脂复合表面的照片，(b)为表面接触角测试结构(c)砂纸摩擦后表面接触角测试结果；
图4实施例3聚氨酯-PDMS复合表面接触角测试结果图；(a)为实施例3聚氨酯-PDMS复合表面的照片，(b)为表面接触角测试结构(c)砂纸摩擦后表面接触角测试结果。
具体实施方式
下面以具体实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
实施例1
以多孔硅橡胶为基料，填充环氧树脂形成硅橡胶-环氧树脂复合表面，形成疏水-亲水交替的超疏水表面，具体制备方法如下：
(1)称取20g硅橡胶，加入0.2g固化剂、55g氯化钠与10g乙酸乙酯，并搅拌均匀，获得硅橡胶-氯化钠混合液；
(2)将硅橡胶-氯化钠混合液倒入模具，使混合液在模具中填充完全，室温固化24h；
(3)开模后获得含有氯化钠的固体硅橡胶，将其在60℃条件下水浴加热24h以溶解氯化钠颗粒；间隔2h左右换一次水，加速氯化钠溶解；
(4)将去除氯化钠的固体硅橡胶置于60℃烘箱中烘干，获得具有多孔结构的硅橡胶；
(5)称取30g环氧树脂，加入10g固化剂与10g乙酸乙酯，搅拌均匀获得环氧树脂稀释液；
(6)将具有多孔结构的硅橡胶浸泡于环氧树脂稀释液中，置于真空干燥箱多次抽真空排出硅橡胶内的气泡并使环氧树脂完全填充到多孔结构中；
(7)取出浸入环氧树脂的多孔硅橡胶，置于60℃烘箱中加速环氧树脂固化，获得硅橡胶-环氧树脂复合表面。
实施例2
以多孔硅橡胶为基料，填充聚氨酯形成硅橡胶-聚氨酯复合表面，形成整体疏水的超疏水表面，具体制备方法如下：
(1)称取20g硅橡胶，加入0.2g固化剂、55g氯化钠与10g乙酸乙酯，并搅拌均匀，获得硅橡胶-氯化钠混合液；
(2)将硅橡胶-氯化钠混合液倒入模具，使混合液在模具中填充完全，室温固化24h；
(3)开模后获得含有氯化钠的固体硅橡胶，将其在60℃条件下水浴加热24h以溶解氯化钠颗粒；每隔2h左右换一次水，加速氯化钠溶解；
(4)将去除氯化钠的固体硅橡胶置于60℃烘箱中烘干，获得具有多孔结构的硅橡胶；
(5)称取30g聚氨酯，加入3g固化剂与20g乙酸乙酯，搅拌均匀获得聚氨酯稀释液；
(6)将具有多孔结构的硅橡胶浸泡于聚氨酯稀释液中，置于真空干燥箱多次抽真空排出硅橡胶内的气泡并使聚氨酯完全填充到多孔结构中；
(7)取出浸入聚氨酯的多孔硅橡胶，置于60℃烘箱中加速聚氨酯固化，获得硅橡胶-聚氨酯复合表面。
实施例3
以多孔聚氨酯为基底材料，填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成聚氨酯-PDMS复合表面，形成疏水-亲水交替的超疏水表面，具体制备方法如下：
(1)称取10g聚氨酯，加入1g固化剂、70g氯化钠与10g乙酸乙酯，并搅拌均匀，获得聚氨酯-氯化钠混合液；
(2)将聚氨酯-氯化钠混合液倒入模具，使混合液在模具中填充完全，室温固化24h；
(3)开模后获得含有氯化钠的固体聚氨酯，将其在60℃条件下水浴加热24h以溶解氯化钠颗粒；每隔2h左右换一次水，加速氯化钠溶解；
(4)将去除氯化钠的固体聚氨酯置于60℃烘箱中烘干，获得具有多孔结构的聚氨酯；
(5)称取20g的PDMS，加入3g固化剂与20g乙酸乙酯，搅拌均匀获得PDMS稀释液；
(6)将具有多孔结构的聚氨酯浸泡于PDMS稀释液中，置于真空干燥箱多次抽真空排出硅橡胶内的气泡并使PDMS完全填充到多孔结构中；
(7)取出浸入PDMS的多孔聚氨酯，置于60℃烘箱中加速聚氨酯固化，获得硅橡胶-聚氨酯复合表面。
在以上具体实施方案中，经过多次尝试发现，多孔硅橡胶的制备以20g硅橡胶加入55-70g氯化钠为最佳，多孔聚氨酯的制备以10g聚氨酯加入60-90g为最佳，氯化钠过少将导致氯化钠颗粒被包裹无法溶出，过多将导致基底材料无法固结易粉碎。
填充材料中环氧树脂与溶剂比为3：1、聚氨酯与溶剂比为3：2，PDMS与溶剂比为1：1最为合适，溶剂过少将导致稀释液粘稠不易填充，溶剂过多将导致固化后体积收缩严重。
如图1所示，本发明所提出的复合网络结构超疏水表面，在受到摩擦磨损后，不同耐磨性的基底材料与填充材料发生不同程度的脱落，形成粗糙的疏水结构，以实现超疏水的效果。如图2～图4所示，本发明在经过磨损后表面仍然具有超疏水性，证明其具有耐磨损的效果。
本发明可以通过使用不同的基底与填充材料，获得不同机械性能与化学性能的超疏水表面，以实现弹性模量、拉伸模量、耐酸耐碱等物理、化学性能的调控，以满足不同的需求。
Claims (7)
1.一种耐磨损的复合网络结构超疏水表面，其特征在于，所述的复合网络结构由填充材料填充在多孔基底的孔中形成，所述多孔基底的孔隙率在60-90％之间，所述的多孔基底孔径尺寸在125-500μm之间；填充材料的磨损量与基底材料不同，且基底材料与填充材料中至少一种为疏水性材料。
2.根据权利要求1所述的耐磨损的复合网络结构超疏水表面，所述多孔基底的材质为硅橡胶或聚氨酯，填充材料的材质为环氧树脂、聚氨酯或硅橡胶。
3.一种如权利要求1所述耐磨损的复合网络结构超疏水表面的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)制备多孔基底；
(2)将填充材料溶液填充在多孔基底的孔中；所述的填充材料溶液由填充材料、固化剂和溶剂组成；填充材料与溶剂的质量比为(1～3)：(1～2)；
(3)使填充材料固化，获得所述耐磨损的复合网络结构超疏水表面。
4.根据权利要求3所述的耐磨损的复合网络结构超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述填充材料为环氧树脂时，其与溶剂的质量比为3：1；为聚氨酯时，其与溶剂质量比为3：2；为硅橡胶时，其与溶剂质量比为1：1。
5.根据权利要求3所述的耐磨损的复合网络结构超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤(1)制备多孔基底的步骤如下：
a、将多孔基底的基体材料、造孔剂、固化剂和溶剂混合获得混合溶液；
b、将混合溶液倒入模具中，并在室温下固化；
c、开模后将其在60℃条件下水浴加热24h以溶解造孔剂；
d、在60℃烘箱中烘干后获得多孔基底。
6.根据权利要求5所述的耐磨损的复合网络结构超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤a中所述的造孔剂为氯化钠颗粒。
7.根据权利要求6所述的耐磨损的复合网络结构超疏水表面的制备方法，其特征在于，多孔基底的材质为硅橡胶或聚氨酯；当多孔基底的基体材料为硅橡胶时，硅橡胶与氯化钠的质量比为1:(2.75～3.5)；当多孔基底的基体材料为聚氨酯时，聚氨酯与氯化钠的质量比为1:(6～9)。
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