[发明专利]仿生结构的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜及其制法

说明书

技术领域

本发明属于自清洁聚合物膜领域，特别涉及高机械强度的仿生结构的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜及其制备方法。

背景技术

空气中，很多生物都具有自清洁的作用，最典型的既是出淤泥而不染的荷叶。其表面具有超疏水性，当水滴在上面滚动时，灰尘粘在水滴上，随之滚走。受荷叶启发，制备超疏水的自清洁表面一直是人们研究的热点。目前在建筑涂层，挡风玻璃，防水衣物，防结冰路面等多个领域都已有相应的产品问世，取得可观的经济效益。

与此同时，随着海洋污染，油船泄漏事件的逐年增多，水下的自清洁材料成为新兴的研究热点。相关的文献报道，包括特定的抗生物粘附材料，如《软物质》(Soft.Matter.2009，5，4088.)上发表的综述文章“设计无毒的，抗生物粘附的聚合物表面”(C.M.Grozea，G.C.Walker，.Advances in polymersfor anti-biofouling surfaces.)；水下超疏水材料，如《仿生》(Bioinspir Biomim2007，2，S126)上发表的“仿荷叶表面的应用”(A.Solga，W.Barthlott et al.Thedream of staying clean：Lotus and biomimetic surfaces.)；水下超输油材料，《应用化学》(Adv.Mater.2009，21，665)上发表的文章“仿生设计固液体系下的超疏油低粘附材料”(M.J.Liu，L.Jiang et al.Bioinspired Design of aSuperoleophobic and Low Adhesive Water/Solid Interface.)。

尽管水下的自清洁聚合物膜受到越来越广泛的关注，但是目前报道的材料，或是缺乏足够的力学强度，或是自清洁效果不强，都不能在水下保持一个稳定的，持久的自清洁性能，这些都大大阻碍了水下自清洁薄膜的实际应用。

因此，设计具有高机械强度的，超疏油的水下自清洁聚合物膜仍然存在挑战。受到水中能够保持自清洁的鱼鳞结构的启发，我们提出一种仿生制备鱼鳞结构表面并复合无机粘土以提高力学强度和抗油污性能的思路，为制备新型的水下自清洁材料提供了一个途径。

发明内容

本发明的目的在于克服水下自清洁材料力学强度差，抗油污性能不持久的缺点，提供一种高机械强度的仿生结构的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜。

本发明的另一目的在于提供一种高机械强度的仿生结构的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜的制备方法。

本发明的高机械强度的仿生结构的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜是通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)复型鱼鳞得到鱼鳞反结构的模板，或是光刻结合化学腐蚀法直接制备仿鱼鳞反结构的硅片作为模板，再用聚合物的单体和无机纳米粒子混合溶液原位聚合进行复型，得到具有仿鱼鳞结构的高机械强度的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜。制得的聚合物复合膜的机械强度远大于传统的化学交联的同类聚合物，其压缩强度大于3.5MPa，拉伸强度大于0.4MPa；聚合物复合膜表面具有仿鱼鳞的微米和纳米复合的粗糙结构，在水下表现出超疏油的自清洁特性，即对油的接触角大于150°。

本发明的高机械强度的仿生结构的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜是由聚合物和无机纳米粒子复合而成，聚合物和无机纳米粒子的质量比为5∶9～21∶5。所述的聚合物复合膜表面具有仿鱼鳞的微米和纳米复合的粗糙结构，在水下吸水后发生溶涨，在聚合物复合膜表面形成一层水、无机纳米粒子和聚合物共存的复合膜层，该聚合物复合膜在水中表现出超疏油的自清洁特性，即该聚合物复合膜对油的接触角大于150°。

所述的聚合物选自聚丙烯酰胺、聚N，N-二甲基丙烯酰胺、聚N-乙基丙烯酰胺、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚N-乙烯基己内酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚2-丙烯酸-2-甲氧基乙酯等所组成的组中的至少一种。

所述的无机纳米粒子的粒径为1～200纳米，选自天然蒙脱土、合成锂蒙脱石、碳纳米管、氧化硅纳米粒子、氧化铁纳米粒子等所组成的组中的至少一种。

本发明的高机械强度的仿生结构的超疏油的水下自清洁的聚合物复合膜是采用复型的方法制备，该方法包括以下步骤：