專(zhuān)利名稱(chēng)：具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及其制備方法，尤其涉及一種經(jīng)過(guò)表面化處理的超疏水 復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚合物基復(fù)合材料因其具有可設(shè)計(jì)性、比強(qiáng)度高、重量輕等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān) 注，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、大飛機(jī)等各相關(guān)領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用。然而，目前商業(yè)化的聚 合物基復(fù)合材料表面都不具有自清潔性，在戶外長(zhǎng)期使用易積累灰塵，影響美觀，當(dāng)污水滴 濺到聚合物基復(fù)合材料表面上而沒(méi)有及時(shí)擦去時(shí)，表面上往往會(huì)留下明顯的污染痕跡。另 夕卜，很多環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料都具有一定的吸濕特性，吸濕后往往會(huì)導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低而 影響使用性能。因此，發(fā)展同時(shí)兼具防水性和自清潔性的聚合物基復(fù)合材料具有非常重要 的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。近年來(lái)，受“荷葉效應(yīng)”啟發(fā)，與水接觸角大于150°、滾動(dòng)角小于5°的超疏水表 面成為新材料和表面技術(shù)領(lǐng)域前沿研究課題。超疏水表面的典型特征是當(dāng)普通水或污水 滴到表面時(shí)會(huì)形成亮晶晶的球形水珠，水珠不能在超疏水表面穩(wěn)定地停留，輕微的不平衡 或者在微風(fēng)的作用下，水珠會(huì)立刻快速滾落而不留任何痕跡，同時(shí)還能帶走表面沉積的各 種污染物，這使超疏水表面不僅具有很強(qiáng)的自清潔性，還可以不受水的影響而保持長(zhǎng)期干 燥，從而避免聚合物基復(fù)合材料在潮濕環(huán)境中因吸濕而造成性能下降。然而，目前國(guó)內(nèi)外還 沒(méi)有關(guān)于聚合物基復(fù)合材料超疏水表面及其制備技術(shù)的相關(guān)報(bào)道，因此將超疏水表面技術(shù) 延伸應(yīng)用至聚合物基復(fù)合材料領(lǐng)域，對(duì)優(yōu)化聚合物基復(fù)合材料的性能具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自清潔性極佳、抗吸 濕性能強(qiáng)、抗冰凍性能強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、疏水性能穩(wěn)定的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材 料，還提供一種操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、成本小、產(chǎn)業(yè)化前景廣闊的具有超疏水表面的聚合物 基復(fù)合材料的制備方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種具有超疏水表面的聚合物基 復(fù)合材料，所述聚合物基復(fù)合材料包括復(fù)合材料本體和復(fù)合材料本體上涂覆的超疏水涂 層，所述復(fù)合材料本體為碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所述超疏水涂層上分布有直徑 在10 μ m 30 μ m的微花狀結(jié)構(gòu)；所述超疏水涂層表面與水的接觸角為150° 160°，水 滴在所述超疏水涂層表面的滾動(dòng)角為10°以下。上述的技術(shù)方案中，所述復(fù)合材料本體可以為現(xiàn)有公知的各種類(lèi)型的碳纖維或玻 璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，例如碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)聚酯基復(fù)合材料、碳纖維或玻璃纖維增 強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料等。經(jīng)過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)，所述復(fù)合材料本體的基體材料優(yōu)選為環(huán)氧樹(shù)脂 類(lèi)化合物，因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)易得，成本較低，應(yīng)用較廣。上述的技術(shù)方案中，所述超疏水涂層的基質(zhì)材料主要是指用作粘結(jié)劑的材料，即能將超疏水涂層與復(fù)合材料本體有效結(jié)合成一整體的粘結(jié)劑，因此本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所公 知的能在復(fù)合材料表面起到較好粘結(jié)效果的粘結(jié)劑均可以適用。優(yōu)選的，所述超疏水涂層 的基質(zhì)材料應(yīng)與復(fù)合材料本體的基體材料相同，即當(dāng)所述復(fù)合材料本體的基體材料優(yōu)選為 環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)化合物(或聚酯類(lèi)化合物)時(shí)，所述超疏水涂層的基質(zhì)材料也優(yōu)選為環(huán)氧樹(shù)脂 類(lèi)化合物(或聚酯類(lèi)化合物)，因?yàn)槠洳粌H能達(dá)到較好的粘結(jié)效果，而且能使聚合物基復(fù)合 材料保持良好的整體性和均一性。上述各技術(shù)方案中，所述超疏水涂層的厚度優(yōu)選為20 μ m 3mm。所述超疏水涂層 上分布的微花狀結(jié)構(gòu)的主要成分為金屬氧化物納米粉體與硬脂酸乙醇溶液自組裝形成的 混合物，但并不限于金屬氧化物納米粉體與硬脂酸乙醇溶液的組合。事實(shí)上，所述硬脂酸乙 醇溶液還可用全氟脂肪酸的乙醇溶液或十七氟三甲氧基乙氧基硅烷的乙醇溶液替代。所述 金屬氧化物納米粉體優(yōu)選為氧化銅納米粉體、氧化鎂納米粉體或氧化鋅納米粉體，因?yàn)檫@ 幾種粉體的制備簡(jiǎn)單，來(lái)源廣泛，成本較低，但并不限于這三種，本領(lǐng)域內(nèi)公知的能與硬脂 酸乙醇溶液或全氟脂肪酸乙醇溶液或十七氟三甲氧基乙氧基硅烷乙醇溶液等進(jìn)行自組裝 的金屬氧化物亦可適用于本發(fā)明，例如氧化鈣、氧化鋯等。所述金屬氧化物納米粉體的粒徑 優(yōu)選為20nm lOOOnm，因?yàn)榻?jīng)過(guò)我們的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，金屬氧化物納米粉體的粒徑大小或太大 都難以形成超疏水表面。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料 的制備方法，包括以下步驟首先，取用碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為復(fù)合材料本 體，并對(duì)該復(fù)合材料本體的表面進(jìn)行打磨和清潔處理；取用由粘結(jié)劑和固化劑組成的樹(shù)脂 體系，將該樹(shù)脂體系涂刷在所述復(fù)合材料本體的表面并刮平；然后，取用金屬氧化物納米粉 體并將其均勻噴涂在涂刷好的樹(shù)脂體系表面；噴涂完成后將整個(gè)材料體系進(jìn)行真空固化， 最后將真空固化后的半成品置于硬脂酸乙醇溶液或全氟脂肪酸的乙醇溶液或十七氟三甲 氧基乙氧基硅烷的乙醇溶液中進(jìn)行自組裝，自組裝完成后得到具有超疏水表面的聚合物基 復(fù)合材料。上述具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法中，所述金屬氧化物納米粉 體優(yōu)選為粒徑在20nm IOOOnm的氧化銅納米粉體，所述氧化銅納米粉體的具體制備方 法可以為首先，取摩爾比為1 2的氯化銅和氫氧化鈉，并分別溶解于水中形成0.01 4mol/L的氯化銅溶液和0. 01 4mol/L的氫氧化鈉溶液；然后，將所述氯化銅溶液和氫氧 化鈉溶液混合，向混合后的溶液中滴加聚乙二醇(一般2L的混合溶液滴加10 μ L 80 μ L 即可)，再將該溶液置于80°C 120°C的條件下加熱Ih 5h，然后進(jìn)行過(guò)濾、洗滌(3 6 次即可)，對(duì)濾渣中的黑色物質(zhì)進(jìn)行干燥后(100°C 120°C的烘箱中干燥3h IOh即可) 得到氧化銅納米粉體。所述氧化銅納米粉體并不限于上述優(yōu)選方法制備得到的產(chǎn)物，采用 任何其他已知的方法制備得到的粒徑在20nm IOOOnm的氧化銅納米粉體均可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 的目的。上述具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法中，所述金屬氧化物納米粉 體還可以為粒徑在20nm IOOOnm的氧化鎂或氧化鋅納米粉體。該氧化鎂或氧化鋅納米粉 體的制備方法與上述氧化銅粉體的制備方法基本相同，只需將原料氯化銅相應(yīng)替換為氯化 鎂、氯化鋅即可，不過(guò)按照上述氧化銅納米粉體的制備方法最后制備得到的是氧化鎂和氧 化鋅的前驅(qū)體，最后需將該前驅(qū)體在250°C 500°C溫度下煅燒3h 10h，才能得到氧化鎂納米粉體和氧化鋅納米粉體。上述具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法中，所述復(fù)合材料本體的基 體材料優(yōu)選為環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)化合物或聚酯類(lèi)化合物，所述基體材料與所述樹(shù)脂體系的粘結(jié)劑 材料相同，所述復(fù)合材料本體優(yōu)選是采用真空模壓法制備得到。然而，本發(fā)明的復(fù)合本體 并不限于上述兩種類(lèi)型的基體材料，也不限于上述優(yōu)選的真空模壓法所制備得到的復(fù)合材 料，任何本領(lǐng)域公知的其他類(lèi)型或其他方法制備的碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(例如 現(xiàn)有的手糊法、樹(shù)脂傳遞模塑法或注射成型法等制備的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)均可用于上述 方法制備本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料。上述具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法中，所述加熱固化的溫度優(yōu) 選控制在80°C 120°C，所述加熱固化的時(shí)間優(yōu)選為3h 6h。上述具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法中，所述硬脂酸乙醇溶液 或全氟脂肪酸的乙醇溶液或十七氟三甲氧基乙氧基硅烷的乙醇溶液的質(zhì)量濃度均優(yōu)選為 0. 5% 5% ；所述自組裝的時(shí)間優(yōu)選為Ih 5h。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合 材料具有極好的自清潔性，能夠避免聚合物基復(fù)合材料在潮濕環(huán)境中因吸濕而造成的性能 下降；與此同時(shí)，在聚合物基復(fù)合材料上構(gòu)建超疏水表面還可以有效提高其防水抗冰凍性 能，其抗冰凍性能大大高于具有同樣組成和性質(zhì)的非超疏水材料，這些特性都有利于大幅 度提高聚合物基復(fù)合材料的使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合 物基復(fù)合材料的超疏水性質(zhì)穩(wěn)定，在溫度范圍為0°c 40°C、相對(duì)濕度為20% 90%的環(huán) 境中放置3個(gè)月，超疏水性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化。另外，本發(fā)明還提供一種簡(jiǎn)單而又易于產(chǎn)業(yè)化的制備方法來(lái)制備本發(fā)明的具有超 疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，該制備方法不僅操作工藝簡(jiǎn)單，重現(xiàn)性好，而且無(wú)需任何昂 貴設(shè)備，也不需要復(fù)雜的化學(xué)處理過(guò)程，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中制得的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料表面的掃描 電鏡圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中制得的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料表面與水的 接觸角測(cè)試圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中制得的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料表面與水的 接觸角測(cè)試圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例3中制得的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料表面與水的 接觸角測(cè)試圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例4中制得的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料表面與水的 接觸角測(cè)試圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例5中制得的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料表面與水的 接觸角測(cè)試圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種如圖1所示的本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，該聚合物基復(fù)合材料包括復(fù)合材料本體和復(fù)合材料本體上涂覆的超疏水涂層，復(fù)合材料本體為碳纖維 布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，超疏水涂層的厚度為30 μ m，該超疏水涂層上分布有直徑在 IOym 30μπι的微花狀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)；超疏水涂層的基質(zhì)材料為環(huán)氧樹(shù)脂，微花狀結(jié)構(gòu) 的主要成分為金屬氧化銅納米粉體與硬脂酸乙醇溶液(或全氟脂肪酸的乙醇溶液或十七 氟三甲氧基乙氧基硅烷的乙醇溶液)自組裝形成的混合物，該氧化銅納米粉體的粒徑為 20nm lOOnm，平均粒徑約為60nm。該超疏水涂層表面與水的接觸角為156° 士 1. 8° (見(jiàn) 圖2)，水滴在超疏水涂層表面的滾動(dòng)角為4°。上述本實(shí)施例的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料具體是采用下述方法步驟 制備得到1.氧化銅納米粉體的制備首先，稱(chēng)取13. 5g氯化銅和8g氫氧化鈉，并分別溶解于IL水中形成氯化銅溶液和 氫氧化鈉溶液，然后將氯化銅溶液和氫氧化鈉溶液混合，向混合后的溶液中滴加10μ L的 聚乙二醇，再將該溶液置于80°C的條件下加熱lh，然后將加熱后的溶液進(jìn)行過(guò)濾和洗滌三 次，再把濾紙上的黑色物質(zhì)置于120°C的烘箱中干燥3h，得到平均粒徑約為60nm的氧化銅 納米粉體。2.復(fù)合材料本體的制備(模壓法)2. 1材料準(zhǔn)備取用碳纖維布，并裁剪成IOcmX 15cm大小，準(zhǔn)備好復(fù)合材料制備用模 具，留待備用；稱(chēng)取20g E51型環(huán)氧樹(shù)脂膠和2g 二乙烯三胺，攪拌均勻后得到基體樹(shù)脂體系；2. 2鋪放涂覆將模具進(jìn)行打磨并涂上脫模劑，將裁剪好的碳纖維布放置于脫模 紙上，再在碳纖維布上涂上配制好的基體樹(shù)脂體系，然后將另一塊碳纖維布覆蓋其上，如此 反復(fù)三次(3次 10次均可)，得到碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體；2. 3模壓將步驟2. 2中得到的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體放置于模具中，在 0. 5MPa的壓力(0. IMPa 0. 6MPa) ,80°C的溫度條件下固化3h (3h 20h)，緩慢冷卻后得到 板狀的復(fù)合材料本體。3.具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備3. 1表面預(yù)處理對(duì)上述步驟2中制備的板狀的復(fù)合材料本體表面用砂紙進(jìn)行打 磨，以除去表面的缺陷，然后用電吹風(fēng)將表面的灰塵等雜質(zhì)吹掉，備用；3. 2涂膠稱(chēng)取IOg E51環(huán)氧樹(shù)脂膠和0. 8g 二乙烯三胺，混合均勻后將配好的涂 層樹(shù)脂體系均勻地涂刷在經(jīng)上述預(yù)處理后的復(fù)合材料本體表面，并用刮刀刮平；3. 3噴粉將上述步驟1中制備好的氧化銅納米粉體均勻地噴涂在復(fù)合材料本體 表面的膠層上；3.4自組裝將噴粉后的整個(gè)復(fù)合材料體系放置在真空干燥箱中，于80°C溫度下 固化3h(3h 6h均可)后取出，然后在的硬脂酸乙醇溶液中自組裝lh，得到本實(shí)施例 的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例方法制備得到的聚合物基復(fù)合材料超疏水涂層 表面是由大量“微花”狀結(jié)構(gòu)組成(如圖1所示)，接觸角測(cè)試結(jié)果表明該超疏水涂層表面與水的接觸角為156° 士 1.8°，超疏水涂層表面與水的滾動(dòng)角為4°。實(shí)施例2一種本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，該聚合物基復(fù)合材料包括復(fù) 合材料本體和復(fù)合材料本體上涂覆的超疏水涂層，復(fù)合材料本體為碳纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂 基復(fù)合材料，超疏水涂層的厚度為50 μ m,該超疏水涂層上分布有直徑在10 μ m 30 μ m 的微花狀結(jié)構(gòu)；超疏水涂層的基質(zhì)材料為環(huán)氧樹(shù)脂，微花狀結(jié)構(gòu)的主要成分為金屬氧化 銅納米粉體與硬脂酸乙醇溶液自組裝形成的混合物，該氧化銅納米粉體的粒徑為20nm lOOnm，平均粒徑約為70nm。該超疏水涂層表面與水的接觸角為155° 士 1. 9° (見(jiàn)圖3)， 水滴在超疏水涂層表面的滾動(dòng)角為5°。上述本實(shí)施例的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料具體是采用下述方法步驟 制備得到1.氧化銅納米粉體的制備首先，稱(chēng)取27g氯化銅和16g氫氧化鈉，并分別溶解于IL水中形成氯化銅溶液和 氫氧化鈉溶液，然后將氯化銅溶液和氫氧化鈉溶液混合，向混合后的溶液中滴加15μ L的 聚乙二醇，再將該溶液置于100°c的條件下加熱2h，然后將加熱后的溶液進(jìn)行過(guò)濾和洗滌 三次，再把濾紙上的黑色物質(zhì)置于100°C的烘箱中干燥4h，得到平均粒徑約為70nm的氧化 銅納米粉體。2.復(fù)合材料本體的制備(模壓法)2. 1材料準(zhǔn)備取用碳纖維布，并裁剪成20cmX 20cm大小，準(zhǔn)備好復(fù)合材料制備用 模具，留待備用；稱(chēng)取20g E51型環(huán)氧樹(shù)脂膠和2g 二乙烯三胺，攪拌均勻后得到基體樹(shù)脂體 系；2. 2鋪放涂覆將模具進(jìn)行打磨并涂上脫模劑，將裁剪好的碳纖維布放置于脫模 紙上，再在碳纖維布上涂上配制好的基體樹(shù)脂體系，然后將另一塊碳纖維布覆蓋其上，如此 反復(fù)五次，得到碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體；2. 3模壓將步驟2. 2中得到的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體放置于模具中，在 0. 3MPa的壓力、80°C的溫度條件下固化5h，緩慢冷卻后得到板狀的復(fù)合材料本體。3.具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備3. 1表面預(yù)處理對(duì)上述步驟2中制備的板狀的復(fù)合材料本體表面用砂紙進(jìn)行打 磨，以除去表面的缺陷，然后用電吹風(fēng)將表面的灰塵等雜質(zhì)吹掉，備用；3. 2涂膠稱(chēng)取20g E51環(huán)氧樹(shù)脂膠和1. 6g 二乙烯三胺，混合均勻后將配好的涂 層樹(shù)脂體系均勻地涂刷在經(jīng)上述預(yù)處理后的復(fù)合材料本體表面，并用刮刀刮平；3. 3噴粉將上述步驟1中制備好的氧化銅納米粉體均勻地噴涂在復(fù)合材料本體 表面的膠層上；3.4自組裝將噴粉后的整個(gè)復(fù)合材料體系放置在真空干燥箱中，于80°C溫度下 固化4h后取出，然后在的硬脂酸乙醇溶液中自組裝2h，得到本實(shí)施例的具有超疏水表 面的聚合物基復(fù)合材料。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例方法制備得到的聚合物基復(fù)合材料超疏水涂層 表面是由大量“微花”狀結(jié)構(gòu)組成，接觸角測(cè)試結(jié)果表明該超疏水涂層表面與水的接觸角為 155° 士 1.9°，超疏水涂層表面與水的滾動(dòng)角為5°。
實(shí)施例3一種本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，該聚合物基復(fù)合材料包括復(fù) 合材料本體和復(fù)合材料本體上涂覆的超疏水涂層，復(fù)合材料本體為碳纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂 基復(fù)合材料，超疏水涂層的厚度為30 μ m,該超疏水涂層上分布有直徑在10 μ m 30 μ m 的微花狀結(jié)構(gòu)；超疏水涂層的基質(zhì)材料為環(huán)氧樹(shù)脂，微花狀結(jié)構(gòu)的主要成分為金屬氧化 銅納米粉體與硬脂酸乙醇溶液自組裝形成的混合物，該氧化銅納米粉體的粒徑為20nm lOOnm，平均粒徑約為50nm。該超疏水涂層表面與水的接觸角為153° 士 1.7° (見(jiàn)圖4)， 水滴在超疏水涂層表面的滾動(dòng)角為4°。上述本實(shí)施例的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料具體是采用下述方法步驟 制備得到1.氧化銅納米粉體的制備首先，稱(chēng)取13. 5g氯化銅和8g氫氧化鈉，并分別溶解于IL水中形成氯化銅溶液和 氫氧化鈉溶液，然后將氯化銅溶液和氫氧化鈉溶液混合，向混合后的溶液中滴加15μ L的 聚乙二醇，再將該溶液置于120°C的條件下加熱2h，然后將加熱后的溶液進(jìn)行過(guò)濾和洗滌 三次，再把濾紙上的黑色物質(zhì)置于120°C的烘箱中干燥3h，得到平均粒徑約為50nm的氧化 銅納米粉體。2.復(fù)合材料本體的制備(模壓法)2. 1材料準(zhǔn)備取用碳纖維布，并裁剪成15cmX 15cm大小，準(zhǔn)備好復(fù)合材料制備用 模具，留待備用；稱(chēng)取20g E51型環(huán)氧樹(shù)脂膠和2g 二乙烯三胺，攪拌均勻后得到基體樹(shù)脂體 系；2. 2鋪放涂覆將模具進(jìn)行打磨并涂上脫模劑，將裁剪好的碳纖維布放置于脫模 紙上，再在碳纖維布上涂上配制好的基體樹(shù)脂體系，然后將另一塊碳纖維布覆蓋其上，如此 反復(fù)八次，得到碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體；2. 3模壓將步驟2. 2中得到的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體放置于模具中，在 0. 6MPa的壓力、80°C的溫度條件下固化4h，緩慢冷卻后得到板狀的復(fù)合材料本體。3.具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備3. 1表面預(yù)處理對(duì)上述步驟2中制備的板狀的復(fù)合材料本體表面用砂紙進(jìn)行打 磨，以除去表面的缺陷，然后用電吹風(fēng)將表面的灰塵等雜質(zhì)吹掉，備用；3. 2涂膠稱(chēng)取IOg E51環(huán)氧樹(shù)脂膠和0. 8g 二乙烯三胺，混合均勻后將配好的涂 層樹(shù)脂體系均勻地涂刷在經(jīng)上述預(yù)處理后的復(fù)合材料本體表面，并用刮刀刮平；3. 3噴粉將上述步驟1中制備好的氧化銅納米粉體均勻地噴涂在復(fù)合材料本體 表面的膠層上；3.4自組裝將噴粉后的整個(gè)復(fù)合材料體系放置在真空干燥箱中，于80°C溫度下 固化6h后取出，然后在的硬脂酸乙醇溶液中自組裝5h，得到本實(shí)施例的具有超疏水表 面的聚合物基復(fù)合材料。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例方法制備得到的聚合物基復(fù)合材料超疏水涂層 表面是由大量“微花”狀結(jié)構(gòu)組成，接觸角測(cè)試結(jié)果表明該超疏水涂層表面與水的接觸角為 153° 士 1.7°，超疏水涂層表面與水的滾動(dòng)角為4°。實(shí)施例4
一種本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，該聚合物基復(fù)合材料包括復(fù) 合材料本體和復(fù)合材料本體上涂覆的超疏水涂層，復(fù)合材料本體為玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù) 脂基復(fù)合材料，超疏水涂層的厚度為30 μ m,該超疏水涂層上分布有直徑在10 μ m 30 μ m 的微花狀結(jié)構(gòu)；超疏水涂層的基質(zhì)材料為環(huán)氧樹(shù)脂，微花狀結(jié)構(gòu)的主要成分為金屬氧化 銅納米粉體與硬脂酸乙醇溶液自組裝形成的混合物，該氧化銅納米粉體的粒徑為20nm lOOnm，平均粒徑約為90nm。該超疏水涂層表面與水的接觸角為157° 士 1. 6° (見(jiàn)圖5)， 水滴在超疏水涂層表面的滾動(dòng)角為5°。上述本實(shí)施例的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料具體是采用下述方法步驟 制備得到1.氧化銅納米粉體的制備首先，稱(chēng)取13. 5g氯化銅和8g氫氧化鈉，并分別溶解于IL水中形成氯化銅溶液和 氫氧化鈉溶液，然后將氯化銅溶液和氫氧化鈉溶液混合，向混合后的溶液中滴加20μ L的 聚乙二醇，再將該溶液置于100°C的條件下加熱lh，然后將加熱后的溶液進(jìn)行過(guò)濾和洗滌 三次，再把濾紙上的黑色物質(zhì)置于120°C的烘箱中干燥5h，得到平均粒徑約為90nm的氧化 銅納米粉體。2.復(fù)合材料本體的制備(模壓法)2. 1材料準(zhǔn)備取用玻璃纖維布，并裁剪成20cmX 25cm大小，準(zhǔn)備好復(fù)合材料制備 用模具，留待備用；稱(chēng)取20g E51型環(huán)氧樹(shù)脂膠和2g 二乙烯三胺，攪拌均勻后得到基體樹(shù)脂 體系；2. 2鋪放涂覆將模具進(jìn)行打磨并涂上脫模劑，將裁剪好的玻璃纖維布放置于脫 模紙上，再在玻璃纖維布上涂上配制好的基體樹(shù)脂體系，然后將另一塊玻璃纖維布覆蓋其 上，如此反復(fù)五次，得到玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體；2. 3模壓將步驟2. 2中得到的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體放置于模具中，在 0. 3MPa的壓力、80°C的溫度條件下固化5h，緩慢冷卻后得到板狀的復(fù)合材料本體。3.具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備3. 1表面預(yù)處理對(duì)上述步驟2中制備的板狀的復(fù)合材料本體表面用砂紙進(jìn)行打 磨，以除去表面的缺陷，然后用電吹風(fēng)將表面的灰塵等雜質(zhì)吹掉，備用；3. 2涂膠稱(chēng)取30g E51環(huán)氧樹(shù)脂膠和2. 4g 二乙烯三胺，混合均勻后將配好的涂 層樹(shù)脂體系均勻地涂刷在經(jīng)上述預(yù)處理后的復(fù)合材料本體表面，并用刮刀刮平；3. 3噴粉將上述步驟1中制備好的氧化銅納米粉體均勻地噴涂在復(fù)合材料本體 表面的膠層上；3.4自組裝將噴粉后的整個(gè)復(fù)合材料體系放置在真空干燥箱中，于80°C溫度下 固化5h后取出，然后在1 %的硬脂酸乙醇溶液中自組裝2h，得到本實(shí)施例的具有超疏水表 面的聚合物基復(fù)合材料。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例方法制備得到的聚合物基復(fù)合材料超疏水涂層表面是由大量“微花”狀結(jié)構(gòu)組成，接觸角測(cè)試結(jié)果表明該超疏水涂層表面與水的接觸角為 157° 士 1.6°，超疏水涂層表面與水的滾動(dòng)角為5°。實(shí)施例5一種本發(fā)明的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，該聚合物基復(fù)合材料包括復(fù)合材料本體和復(fù)合材料本體上涂覆的超疏水涂層，復(fù)合材料本體為玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，超疏水涂層的厚度為60 μ m,該超疏水涂層上分布有直徑在10 μ m 30 μ m 的微花狀結(jié)構(gòu)；超疏水涂層的基質(zhì)材料為環(huán)氧樹(shù)脂，微花狀結(jié)構(gòu)的主要成分為金屬氧化 銅納米粉體與硬脂酸乙醇溶液自組裝形成的混合物，該氧化銅納米粉體的粒徑為20nm lOOnm，平均粒徑約為65nm。該超疏水涂層表面與水的接觸角為154° 士2° (見(jiàn)圖6)，水 滴在超疏水涂層表面的滾動(dòng)角為5°。上述本實(shí)施例的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料具體是采用下述方法步驟 制備得到1.氧化銅納米粉體的制備首先，稱(chēng)取27g氯化銅和16g氫氧化鈉，并分別溶解于IL水中形成氯化銅溶液和 氫氧化鈉溶液，然后將氯化銅溶液和氫氧化鈉溶液混合，向混合后的溶液中滴加25μ L的 聚乙二醇，再將該溶液置于100°C的條件下加熱lh，然后將加熱后的溶液進(jìn)行過(guò)濾，并洗滌 六次，再把濾紙上的黑色物質(zhì)置于100°C的烘箱中干燥5h，得到平均粒徑約為65nm的氧化 銅納米粉體。2.復(fù)合材料本體的制備(模壓法)2. 1材料準(zhǔn)備取用玻璃纖維布，并裁剪成IOcmX IOcm大小，準(zhǔn)備好復(fù)合材料制備 用模具，留待備用；稱(chēng)取20g E51型環(huán)氧樹(shù)脂膠和2g 二乙烯三胺，攪拌均勻后得到基體樹(shù)脂 體系；2. 2鋪放涂覆將模具進(jìn)行打磨并涂上脫模劑，將裁剪好的玻璃纖維布放置于脫 模紙上，再在玻璃纖維布上涂上配制好的基體樹(shù)脂體系，然后將另一塊玻璃纖維布覆蓋其 上，如此反復(fù)三次，得到玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體；2. 3模壓將步驟2. 2中得到的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)成型體放置于模具中，在 0. 5MPa的壓力、80°C的溫度條件下固化5h，緩慢冷卻后得到板狀的復(fù)合材料本體。3.具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備3. 1表面預(yù)處理對(duì)上述步驟2中制備的板狀的復(fù)合材料本體表面用砂紙進(jìn)行打 磨，以除去表面的缺陷，然后用電吹風(fēng)將表面的灰塵等雜質(zhì)吹掉，備用；3. 2涂膠稱(chēng)取20g E51環(huán)氧樹(shù)脂膠和1. 6g 二乙烯三胺，混合均勻后將配好的涂 層樹(shù)脂體系均勻地涂刷在經(jīng)上述預(yù)處理后的復(fù)合材料本體表面，并用刮刀刮平；3. 3噴粉將上述步驟1中制備好的氧化銅納米粉體均勻地噴涂在復(fù)合材料本體 表面的膠層上；3.4自組裝將噴粉后的整個(gè)復(fù)合材料體系放置在真空干燥箱中，于80°C溫度下 固化5h后取出，然后在1 %的硬脂酸乙醇溶液中自組裝3h，得到本實(shí)施例的具有超疏水表 面的聚合物基復(fù)合材料。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例方法制備得到的聚合物基復(fù)合材料超疏水涂層 表面是由大量“微花”狀結(jié)構(gòu)組成，接觸角測(cè)試結(jié)果表明該超疏水涂層表面與水的接觸角為 154° 士2°，超疏水涂層表面與水的滾動(dòng)角為5°。
權(quán)利要求
一種具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于所述聚合物基復(fù)合材料包括復(fù)合材料本體和復(fù)合材料本體上涂覆的超疏水涂層，所述復(fù)合材料本體為碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所述超疏水涂層上分布有直徑在10μm～30μm的微花狀結(jié)構(gòu)；所述超疏水涂層表面與水的接觸角為150°～160°，水滴在所述超疏水涂層表面的滾動(dòng)角為10°以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù) 合材料本體的基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于所述超 疏水涂層的基質(zhì)材料與所述復(fù)合材料本體的基體材料相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于 所述超疏水涂層的厚度為20 y m 3mm ；所述超疏水涂層上分布的微花狀結(jié)構(gòu)的主要成分 為金屬氧化物納米粉體與硬脂酸乙醇溶液自組裝形成的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于所述金 屬氧化物納米粉體為氧化銅納米粉體、氧化鎂納米粉體或氧化鋅納米粉體；所述金屬氧化 物納米粉體的粒徑為20nm lOOOnm。
6.一種具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟首先，取用 碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為復(fù)合材料本體，并對(duì)該復(fù)合材料本體的表面進(jìn)行打磨 和清潔處理；取用由粘結(jié)劑和固化劑組成的樹(shù)脂體系，將該樹(shù)脂體系涂刷在所述復(fù)合材料 本體的表面并刮平；然后，取用金屬氧化物納米粉體并將其均勻噴涂在涂刷好的樹(shù)脂體系 表面；噴涂完成后將整個(gè)材料體系進(jìn)行加熱固化，最后將加熱固化后的半成品置于硬脂酸 乙醇溶液或全氟脂肪酸的乙醇溶液或十七氟三甲氧基乙氧基硅烷的乙醇溶液中進(jìn)行自組 裝，自組裝完成后得到具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，所述金屬氧化物納米粉體為粒徑在20nm lOOOnm的氧化銅納米粉體，所述氧化銅納 米粉體的具體制備方法為首先，取摩爾比為1 2的氯化銅和氫氧化鈉，并分別溶解于水 中形成0. 01 4mol/L的氯化銅溶液和0. 01 4mol/L的氫氧化鈉溶液；然后，將所述氯 化銅溶液和氫氧化鈉溶液混合，向混合后的溶液中滴加聚乙二醇，再將該溶液置于80°C 120°C的條件下加熱lh 5h，然后進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，對(duì)濾渣中的黑色物質(zhì)進(jìn)行干燥后得到氧 化銅納米粉體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，所述復(fù)合材料本體的基體材料為聚酯類(lèi)化合物或環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)化合物，所述基體材料與 所述樹(shù)脂體系的粘結(jié)劑材料相同，所述復(fù)合材料本體可以采用真空模壓法制備得到。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，所述加熱固化的溫度控制在80°C 120°C，所述加熱固化的時(shí)間為3h 6h。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，所述硬脂酸乙醇溶液或全氟脂肪酸的乙醇溶液或十七氟三甲氧基乙氧基硅烷 的乙醇溶液的質(zhì)量濃度為0.5% 5% ；所述自組裝的時(shí)間為lh 5h。
全文摘要
本發(fā)明屬于超疏水復(fù)合材料及其制備方法領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種具有超疏水表面的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法，該聚合物基復(fù)合材料包括復(fù)合材料本體和其上涂覆的超疏水涂層，復(fù)合材料本體為碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，超疏水涂層上分布有直徑在10μm～30μm的微花狀結(jié)構(gòu)；超疏水涂層表面與水的接觸角為150°～160°，水滴在表面的滾動(dòng)角為10°以下，其制備是先對(duì)該復(fù)合材料本體的表面進(jìn)行預(yù)處理；然后將樹(shù)脂體系涂刷在其表面并刮平；再用金屬氧化物納米粉體噴涂在樹(shù)脂體系表面；最后進(jìn)行加熱固化，并置于硬脂酸乙醇溶液等類(lèi)似溶液中進(jìn)行自組裝即可。本發(fā)明的聚合物基復(fù)合材料具有自清潔性、抗吸濕性能強(qiáng)、抗冰凍性能強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、疏水性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B29C70/02GK101830098SQ201010164798
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者何玲, 劉勇, 張章, 張鑒煒, 曾竟成, 朱寶軍, 肖加余, 袁志慶, 邢素麗, 黃 俊 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)