一種全面疏液的仿生防污自清潔涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域,具體設(shè)及一種全面疏液的仿生防污自清潔涂層及 其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 仿生型超疏水表面是近20年的研究熱點,其在防污、防覆冰、抗菌、自清潔等方 面有廣泛的應(yīng)用前景。荷葉是一種具有典型納/微復(fù)合結(jié)構(gòu)的天然超疏水表面,荷葉表面 的微觀結(jié)構(gòu)可W形成穩(wěn)定的氣-液界面層,使水滴容易滾落從而具有不沾污的優(yōu)異性能。 通過模擬荷葉微觀表面結(jié)構(gòu)來賦予表面一定的疏液和自清潔性能。
[0003] 專利CN103084323A提出一種仿生構(gòu)筑基于金屬泡沫的表面具有微納米結(jié)構(gòu)的超 雙疏材料,對水的接觸角大于170°,滾動角小于Γ。對潤滑油食用油的接觸角均大于 150°,滾動角小于10。。CN103726342A公開了一種對普通的紡織面料的纖維表面在納米 尺度進(jìn)行界面修飾、聚合和改性等處理加工,形成一種新型防污無污染、無毒的紡織面料。 專利CN103408762A提出了一種可交聯(lián)的氣娃樹脂的超雙疏涂層。
[0004] 但是仿荷葉效應(yīng)構(gòu)建的超疏水表面仍存在蛋白質(zhì)和細(xì)菌易吸附,壓力穩(wěn)定性差, 不能抗物理損傷,對低表面能液體的防潤濕性能差的缺點。
[0005] 豬籠草的彩色唇葉是由具有微觀粗糖結(jié)構(gòu)的親水組分構(gòu)成,表面可儲存水形成一 層潤滑水膜,使停在上面的昆蟲滑進(jìn)底部的消化系統(tǒng)。受豬籠草表面的啟發(fā),科學(xué)家將潤滑 液如全氣聚酸、硅油、離子液體等灌注到微/納粗糖結(jié)構(gòu)基材中,研究出灌注液體的光滑多 孔表面化IPS (Wong T S, Kang S H, Tang S K Y, Smythe E J,化tton B D, Grinthal A, Aizenberg J.化Uire, 2011,477(7365): 443.)。其表面達(dá)到分子尺度的光滑,能顯 著減小液滴滑動角和滯后角,具有全面疏液、自修復(fù)、透明度高、溫度和壓力穩(wěn)定性好等諸 多優(yōu)點,能夠高效抑制各種基材包括油脂、血液、冰W及生物膜的粘附,在自清潔涂料、海 洋防污、生物醫(yī)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0006] 現(xiàn)有文獻(xiàn)報道大多是采用浸潤法制備仿豬籠草表面,需要先通過復(fù)雜的方法制備 高度粗糖表面巧日刻蝕法、電化學(xué)沉積法、層層自組裝等),設(shè)及特定的設(shè)備、苛刻的條件和 較長的周期,難W用于大面積制備。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 為了克服現(xiàn)有制備仿豬籠草表面技術(shù)的不足和缺點,本發(fā)明的目的在于提供一種 工藝簡單、易于操作、重復(fù)性好、應(yīng)用方便的全面疏液的仿生防污自清潔涂層及其制備方 法。
[0008] 本發(fā)明提供了一種全面疏液的仿生防污自清潔涂層,所述涂層包括通過溶膠凝膠 法在基材表面由二氧化娃顆粒W及短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑構(gòu)建具有納/微粗糖結(jié)構(gòu) 的含氣表面的第一涂層;W及將所述第一涂層在全氣潤滑油中浸潤獲得的第二涂層。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種全面疏液的仿生防污自清潔涂層的制備方法,包括: 1) 第一組分通過溶膠-凝膠法制備出疏水涂層材料,將其涂覆在基材表面形成具有 納/微結(jié)構(gòu)的所述第一涂層; 2) 將所述第一涂層浸潤在第二組分中,得到所述第二涂層; 其中,所述第一組分包括:硅烷偶聯(lián)劑3-10%、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑3-10%、娃溶 膠10-40%、溶劑10-30% W及水30-60% ;各百分比為質(zhì)量百分比; 所述第二組分為全氣潤滑油。
[0010] 進(jìn)一步地,所述第一涂層的形成步驟如下: 1) 在氮氣保護(hù)下,將所述第一組分包括的硅烷偶聯(lián)劑、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑、娃 溶膠W及溶劑在10°c ~5(TC下混合均勻,邊反應(yīng)邊滴加水,水解縮合反應(yīng)1-5小時,得所述 第一涂層的涂料; 2) 將步驟1)制得的疏水涂料,涂覆到基材表面,再在80~160°C下熱處理1~5小時,得 到所述第一涂層。
[0011] 進(jìn)一步地,所述的硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)通式為:
其中,a、b為1~4的整數(shù);X、Y為烷基或者苯基;硅烷偶聯(lián)劑為其中一種或幾種的混合 物。
[0012] 進(jìn)一步地,所述的短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)通式為:
其中,C為2~6的整數(shù),d為1~4的整數(shù);Z為鏈狀或者環(huán)裝的亞烷基、亞芳基、橫酷 胺基、橫酷基、碳酷胺基和碳氧基其中的一種或者幾種的組合。
[0013] 進(jìn)一步地,所述的娃溶膠是W醇類為溶劑,二氧化娃為溶質(zhì)的酸性娃溶膠,溶膠抑 為2~6,固含量為5%~50%,二氧化娃顆粒的粒徑為10~300皿。
[0014] 進(jìn)一步地,所述的溶劑為甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇或異丙醇中一種或幾種組合物。
[0015] 進(jìn)一步地,所述的全氣潤滑油為聚全氣環(huán)氧丙烷、聚全氣氧雜環(huán)下燒中任一種或 其混合物,粘度10~leoocst。
[0016] 進(jìn)一步地,本發(fā)明提供的全面疏液的仿生防污自清潔涂層可W制備在娃片、玻璃 或者金屬等基材表面。
[0017] 本發(fā)明的原理: 本發(fā)明主要利用二氧化娃納米顆粒增加基材表面的粗糖度,利用含氣基團(tuán)降低表面 能。通過硅烷偶聯(lián)劑、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑、二氧化娃納米粒子水解共縮聚構(gòu)建含氣 粗糖表面,使低表面能的全氣潤滑油能夠通過毛細(xì)作用力在粗糖表面形成一層均相、穩(wěn)定、 光滑的潤滑層。測試液滴與固體基材不直接接觸,而是漂浮在潤滑層上,滯后角和滑動角很 小,不同表面張力的液體在其涂層表面易于滾落,從而達(dá)到自清潔的目的,克服了現(xiàn)有的自 清潔表面存在的蛋白質(zhì)、細(xì)菌易吸附,不能抵抗物理損傷等缺點。
[0018] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有的技術(shù)具有如下的優(yōu)點: 本發(fā)明提供的溶膠凝膠法制備含氣粗糖疏水表面,全氣潤滑液通過毛細(xì)作用力鎖定到 疏水表面,從而制備全面疏液的仿生防污自清潔表面,工藝簡單,操作方便,重復(fù)性好,表面 穩(wěn)定性好,實用性高;本發(fā)明制備的涂層液滴滯后角均小于5°,水滴能夠在涂層表面極易 移動,具有自清潔性能,能夠防污、防霜防覆冰。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述,但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0020] 實施例1 在氮氣保護(hù)下,將硅烷偶聯(lián)劑、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑、娃溶膠W及溶劑在3(TC下 混合均勻,邊反應(yīng)邊滴加水,水解縮合反應(yīng)2小時,得疏水涂料;上述組分按質(zhì)量百分比,娃 燒偶聯(lián)劑3%、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑10%、娃溶膠40%、溶劑10% W及水37%。
[0021] 將上述制得的疏水涂料旋涂到載玻片表面,在120°c下熱處理2小時,得到第一涂 層,該涂層為疏水涂層,再將該涂層浸潤到全氣潤滑液中,移除多余潤滑液,就得到全面疏 液的仿生防污自清潔涂層。 本實施例中,硅烷偶聯(lián)劑為甲基Ξ乙氧基硅烷;娃溶膠組分為抑=2,固含量為50%,粒 徑為lOnm的二氧化娃丙醇溶液;短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑為全氣己基橫酷基丙基Ξ乙 氧基硅烷;溶劑為丙醇;全氣潤滑油為粘度lOcSt的聚全氣環(huán)氧丙烷。本實施例所得全面疏 液的仿生防污自清潔涂層的性能檢測數(shù)據(jù)如表1所示。
[00過實施例2 在氮氣保護(hù)下,將硅烷偶聯(lián)劑、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑、娃溶膠W及溶劑在40°C下 混合均勻,邊反應(yīng)邊滴加水,水解縮合反應(yīng)1小時,得疏水涂料;上述組分按質(zhì)量百分比,娃 燒偶聯(lián)劑6%、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑6%、娃溶膠25%、溶劑30% W及水33%。
[0023] 將上述制得的疏水涂料旋涂到載玻片表面,在120°C下熱處理3小時,得到第一涂 層,該涂層為疏水涂層,再將該涂層浸潤到全氣潤滑液中,移除多余潤滑液,就得到全面疏 液的仿生防污自清潔涂層。 本實施例中,硅烷偶聯(lián)劑為二甲基二甲氧基硅烷;娃溶膠組分為抑=3,固含量為30%, 粒徑為80nm的二氧化娃異丙醇溶液;短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑為全氣下基橫酷基丙基 Ξ乙氧基硅烷;溶劑為乙醇;全氣潤滑油為粘度30cSt的聚全氣環(huán)氧丙烷。本實施例所得全 面疏液的仿生防污自清潔涂層性能檢測數(shù)據(jù)如表1所示。
[0024] 實施例3 在氮氣保護(hù)下,將硅烷偶聯(lián)劑、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑、娃溶膠W及溶劑在10°c下 混合均勻,邊反應(yīng)邊滴加水,水解縮合反應(yīng)5小時,得疏水涂料;上述組分按質(zhì)量百分比,娃 燒偶聯(lián)劑10%、短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)劑3%、娃溶膠12%、溶劑21% W及水56%。
[00巧]將上述制得的疏水涂料旋涂到娃片表面,在80°C下熱處理5小時,得到第一涂層, 該涂層為疏水涂層,再將該涂層浸潤到全氣潤滑液中,移除多余潤滑液,就得到全面疏液的 仿生防污自清潔涂層。 本實施例中,硅烷偶聯(lián)劑為苯基Ξ乙氧基硅烷;娃溶膠組分為抑=6,固含量為5%,粒徑 為70nm的二氧化娃異丙醇溶液;短氣碳鏈取代的硅烷偶聯(lián)