通過生物礦化法制備超疏水表面的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，包括如下步驟：步驟一、將固體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后浸泡在無機酸中，最后用去離子水洗滌后烘干；步驟二、將預(yù)處理完畢的固體表面浸泡至礦化溶液中，并加入礦化調(diào)節(jié)劑，而后將浸泡有固體表面的溶液與碳酸銨一同放置于一個密閉容器中，室溫下放置一段時間后，取出固體表面，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用；步驟三、將具有粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其浸泡于溶質(zhì)為硫醇的乙醇溶液中，最后將固體表面取出并用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水表面。
【專利說明】通過生物礦化法制備超疏水表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種固體表面的處理技術(shù)，具體涉及一種利用生物礦化方法制備具有自清潔功能的超疏水表面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常認(rèn)為水滴在固體表面的接觸角大于150°且不易從表面滾落時，此固體表面被認(rèn)為具有超疏水性。自然界存在大量奇特的天然超疏水表面，諸如水稻的葉子、沙漠中甲蟲的殼、蝴蝶的翅膀以及壁虎的足底等等。隨著對于這些天然超疏水現(xiàn)象的深入研究和認(rèn)識，人們發(fā)現(xiàn)多級粗糙結(jié)構(gòu)與低表面能涂層的結(jié)合是這些超疏水表面的共同特性。一個被廣泛研究的典型的例子是荷葉表面，它所具有的獨特的自清潔功能被認(rèn)為是由其表面的微米-納米粗糙結(jié)構(gòu)(微米級的乳突及乳突表面納米級的纖毛狀物質(zhì))結(jié)合低表面能的蠟狀涂層共同賦予的。受這些天然超疏水表面的啟發(fā)，人們在實現(xiàn)超疏水表面時主要通過增加表面的粗糙度及降低其表面能，進(jìn)而開發(fā)了大量基于制備多級粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水表面的方法，其中包括模板法、平板印刷法、微球組裝法和相分離法等。但另一方面，這些制備方法的復(fù)雜性、繁瑣性及高能耗性限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。
[0003]眾所周知，自然界內(nèi)存在的天然礦物，如貝殼、骨骼和牙齒等都是具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且力學(xué)性能優(yōu)異的材料 ，它們是在溫和的條件下由蛋白質(zhì)、多肽和多糖等生物大分子的調(diào)控下形成的。目前，體外模擬生物礦化的研究大多集中于利用各種模板來調(diào)控?zé)o機礦物的形貌和晶型，由此人們能夠容易制備各種具復(fù)雜形貌的無機礦物，但利用這種綠色、環(huán)保、低能耗的生物礦化法來制備超疏水表面的研究及應(yīng)用還很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種綠色、環(huán)保、低能耗的制備具有自清潔功能的超疏水表面的方法。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種通過生物礦化法制備超疏水表面的方法，所述方法包括以下步驟:
步驟一、將固體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后浸泡在一定濃度的無機酸中一段時間，最后用去離子水洗滌后烘干。此步驟為固體表面的預(yù)處理步驟，目的是除去固體表面的雜質(zhì)，并使得固體表面存在一定的晶體成核點。
[0006]步驟二、將預(yù)處理完畢的固體表面浸泡至事先配好的礦化溶液中，并加入一定量的礦化調(diào)節(jié)劑，而后將浸泡有固體表面的溶液與碳酸銨(固體原料，用量為每平方米的密閉空間用50g) —同放置于一個密閉容器中，室溫下放置一段時間后(此時間后面有規(guī)定)，取出固體表面，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用。此步驟為礦化步驟，目的是使得固體基地表面生長有具有一定粗糙結(jié)構(gòu)的無機物。
[0007]步驟三、將步驟二制備得到的具有粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其浸泡于某種硫醇的乙醇溶液中一段時間，最后將固體表面取出并用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水表面。此步驟為后處理步驟，目的是使得降低固體表面的表面能，已實現(xiàn)其超疏水功能。
[0008]其中:
所述步驟一中，所用固體表面為金屬鐵、金屬銅、玻璃、PET (滌綸樹脂)或PP (聚丙烯)中的一種。
[0009]所述步驟一中，所用無機酸為鹽酸、硫酸、硝酸中的一種或其中兩種的混合物。
[0010]所述步驟一中，所用無機酸的濃度為20_80wt%，浸泡時間為1-5小時。
[0011]所述步驟二中，所配置的礦化溶液為氯化鎂、氯化銅、氯化鈣、氯化鋇、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫鈣中的一種或其中兩種的混合物，其濃度為5-1 Omg/ml
所述步驟二中，所用的礦化調(diào)節(jié)劑為聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚磺化苯乙烯、聚天冬氨酸、聚谷氨酸、聚賴氨酸中的一種或其中兩種的混合物。
[0012]所述步驟二中，所用的礦化調(diào)節(jié)劑的濃度為0.1-1 mg/mL。
[0013]所述步驟二中，礦化時間為2-12小時
所述步驟三中，所用硫醇為，3-(三氟甲基)芐基硫醇、十二硫醇、1-辛硫醇、1H, 1H, 2H, 2H-全氟十二烷硫醇、正十八硫醇、1-壬硫醇中的一種。
[0014]所述步驟三中，所用硫醇的濃度為10_3_10_4 mol/L，浸泡時間為2-6小時。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
1、本發(fā)明通過綠色、環(huán)保、低能耗的生物礦化法結(jié)合一定的化學(xué)處理制備具有自清潔功能的超疏水表面；
2、本發(fā)明適用于無機非金屬、金屬及高分子材料等多種表面；
3、本發(fā)明制備得到的超疏水表面的對水滴的靜態(tài)接觸角大于150°，滾動角小于5°，是一種制備自清潔表面的簡單、有效的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明制備具有自清潔功能的超疏水表面的過程示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明的實施例5中以玻璃為基底材料制備的超疏水表面的掃描電鏡圖。
[0018]圖3為本發(fā)明的實施例3中在PET為基底材料制備的超疏水表面的靜態(tài)接觸角(a)及滾動角(b)測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0019]參見圖1，一種通過生物礦化法制備超疏水表面的過程示意圖:
實施例1:
步驟一、將PP基體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后放入20wt%的硝酸中浸泡5個小時，最后用去離子水洗滌后烘干；
步驟二、 將預(yù)處理完畢的PP基體表面浸泡至事先配好的濃度為5mg/ml的氯化鋇礦化溶液中，并加入濃度為lmg/ml的聚丙烯酸溶液(聚丙烯酸在混合好的礦化溶液里面的濃度為0.05mg/ml)，而后將浸泡有玻璃基體的溶液與碳酸銨一同放置于一個密閉容器中，室溫下放置2小時后，取出PP基體，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用；步驟三、將制備得到的具有粗糙結(jié)構(gòu)的PP基體通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其放入濃度為l(T3mol/L正十八硫醇的乙醇溶液中浸泡6小時,最后將固體表面取出并用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水PP表面。
[0020]實施例2:
步驟一、將金屬鐵基體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后放入80wt%的硫酸中浸泡I個小時，最后用去離子水洗滌后烘干；
步驟二、其次將預(yù)處理完畢的金屬鐵基體表面浸泡至事先配好的濃度為10mg/ml的氯化鎂礦化溶液中，并加入濃度為lmg/ml的聚磺化苯乙烯溶液(聚磺化苯乙烯在混合好的礦化溶液里面的濃度為0.lmg/ml),而后將浸泡有玻璃基體的溶液與碳酸銨一同放置于一個密閉容器中，室溫下放置12小時后，取出金屬鐵基體，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用。
[0021]步驟三、將制備得到的具有粗糙結(jié)構(gòu)的金屬鐵基體通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其放入濃度為10_4mol/L的3-(三氟甲基)芐基硫醇的乙醇溶液中浸泡2小時，最后將固體表面取出并用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水金屬鐵表面。
[0022]實施例3
步驟一、將PET基體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后放入35wt%的鹽酸中浸泡2個小時，最后用去離子水洗滌后烘干；
步驟二、將預(yù)處理完畢的PET基體表面浸泡至事先配好的濃度為5mg/ml的磷酸氫鈣的礦化溶液中，并加入濃度為0.5mg/ml的聚乙烯醇和聚天冬氨酸溶液(兩者在混合好的礦化溶液里面的濃度均為0.05mg/ml)，而后將浸泡有PET基體的溶液與碳酸銨一同放置于一個密閉容器中，室溫下放置6小時后，取出PET基體，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用。
[0023]步驟三、將制備得到的具有粗糙結(jié)構(gòu)的PET基體通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其放入濃度為5X10_4mol/L的1H，1H, 2H, 2H-全氟十二烷硫醇的乙醇溶液中浸泡4小時，最后將固體表面取出并用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水PET表面，參見圖3。
[0024]實施例4
步驟一、將金屬銅基體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后放入鹽酸-硝酸混合溶液(其中鹽酸濃度為10wt%，硝酸濃度為20wt%)中浸泡3個小時,最后用去離子水洗滌后烘干；
步驟二、將預(yù)處理完畢的`金屬銅基體表面浸泡至事先配好的濃度為5mg/ml的氯化鈣的礦化溶液中，并加入濃度為0.8mg/ml的聚賴氨酸溶液(聚賴氨酸在礦化溶液里面的濃度均為0.lmg/ml )，而后將浸泡有PET基體的溶液與碳酸銨一同放置于一個密閉容器中，室溫下放置8小時后，取出金屬銅基體，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用；
步驟三、將制備得到的具有粗糙結(jié)構(gòu)的金屬銅基體通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其放入濃度為3Xl(T4mol/L的1-壬硫醇的乙醇溶液中浸泡3小時，最后將固體表面取出并用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水金屬銅表面。[0025]實施例5:
步驟一、將玻璃基體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后放入硫酸-硝酸混合溶液(其中硫酸濃度為50wt%，硝酸濃度為20wt%)中浸泡3個小時,最后用去離子水洗滌后烘干。
[0026]步驟二、將預(yù)處理完畢的玻璃基體表面浸泡至事先配好的氯化鈣和磷酸氫鈣的混合礦化溶液中(兩者的濃度均為7mg/ml)，并加入濃度為lmg/ml的聚谷氨酸和聚乙烯醇溶液(兩者在礦化溶液里面的濃度均為0.2mg/ml)，而后將浸泡有玻璃基體的溶液與碳酸銨一同放置于一個密閉容器中，室溫下放置12小時后，取出玻璃基體，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用。
[0027]步驟三、將制備得到的具有粗糙結(jié)構(gòu)的玻璃基體通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其放入濃度為lX10_3mol/L的十二硫醇的乙醇溶液中浸泡5小時，最后將固體表面取出并 用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水玻璃表面，參見圖2。
【權(quán)利要求】
1.一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟: 步驟一、將固體表面依次用無水乙醇、丙酮洗滌后烘干，而后浸泡在一定量的無機酸中一段時間，最后用去離子水洗滌后烘干； 步驟二、將預(yù)處理完畢的固體表面浸泡至事先配好的礦化溶液中，并加入一定量的礦化調(diào)節(jié)劑，而后將浸泡有固體表面的溶液與碳酸銨一同放置于一個密閉容器中，室溫下放置一段時間后，取出固體表面，用去離子水沖洗后烘干，得到具有微米-納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面，待用； 步驟三、將步驟二制備得到的具有粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面通過一分鐘的離子濺射在其表面涂上一層金，而后將其浸泡于溶質(zhì)為硫醇的乙醇溶液中一段時間，最后將固體表面取出并用無水乙醇洗滌后烘干，得到具有自清潔功能的超疏水表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于所述步驟一中所用的固體表面為金屬鐵、金屬銅、玻璃、PET或PP中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于所述步驟一中所用無機酸為鹽酸、硫酸、硝酸中的一種或其中兩種的混合物，所述無機酸的濃度為20-80wt%，浸泡時間為1-5小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于所述步驟二中所配置的礦化溶液為氯化鎂、氯化銅、氯化鈣、氯化鋇、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫鈣中的一種或其中兩種的混合物，其濃度為5-1Omg/ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于所述步驟二中所用的礦化調(diào)節(jié)劑`為聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚磺化苯乙烯、聚天冬氨酸、聚谷氨酸、聚賴氨酸中的一種或其中兩種的混合物，濃度為0.1-1 g/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于在步驟二中所述礦化時間為2-12小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于所述步驟三中所用硫醇為3-(三氟甲基)芐基硫醇、十二硫醇、1-辛硫醇、1H，1H, 2H, 2H-全氟十二烷硫醇、正十八硫醇、1-壬硫醇中的一種，所用硫醇的濃度為10_3-10_4 mol/L。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生物礦化方法制備超疏水表面的方法，其特征在于所述步驟三中浸泡時間為2-6小時。
【文檔編號】B05D5/02GK103866247SQ201410089621
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】徐娜 申請人:江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院