[发明专利]主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及了一种制备主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的方法。

(二)背景技术

目前人工超疏水表面多是从荷叶表面微结构获得灵感而研制的，尽管制备方法多样，但其抗水压能力一直不尽人意：一旦水滴的动能(由水流速度决定)超过了其表面能，乳突或尖刺结构即能刺破水滴，使超疏水性能丧失。在应用于流体减阻时，这样的微粗糙结构中窝藏的空气很容易被湍流引起的界面强摩擦赶出，从而丧失减阻性能。要想获得对水压永久稳定即对水流持续减阻的超疏水表面，有必要设计一种全新，完全不同于荷叶表面微结构的新型表面结构，实现主动超疏水，用于水面甚至水下航行器的减阻降噪。

(三)发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、工艺简单，易于大规模生产主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的制备方法，通过主动引入气流，使疏水化处理的含孔表面形成耐水流冲击的新型超疏水表面，具体包括以下步骤：

(1)将贯通多孔材料做疏水化处理，将贯通多孔材料的孔表面和最外层表面改性成与水的接触角大于90°的表面；所述贯通多孔材料的孔径大小和间隔分别在2-500μm；

(2)在表面疏水的贯通多孔材料一侧通空气或氮气，则在贯通多孔材料的另外一侧得到主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面。

进一步，本发明所述的贯通多孔材料为金属筛网(如不锈钢筛网)、聚合物筛网、不锈钢烧结纤维毡、玻纤布、泡沫金属(如不锈钢粉末烧结片)。

进一步，所述的疏水化处理可采用现有方法，采用低表面能物质(甲基硅烷、含氟硅烷、聚烯烃、含氟聚合物等)，用界面反应、喷涂、浸塑等方式处理贯通多孔材料。本领域技术人员可以根据贯通多孔材料的材质自行选择合适的疏水化处理方法。具体的，比如对金属筛网，可用聚四氟乙烯(PTFE)进行疏水化处理，即将金属筛网浸在PTFE微粉(颗粒直径约0.05-0.5μm)悬浮液中0.5～20分钟，然后取出干燥(优选先在150～250℃烘箱中干燥10～30min，再在280～320℃烘箱中干燥1～5min)，即可将金属筛网的孔表面和最外层表面改性成与水的接触角大于90°的表面。又比如对不锈钢烧结纤维毡、玻纤布以及泡沫金属等含非单层孔的材料，可采用如下方法进行疏水化处理：将含非单层孔的材料浸在质量浓度为1～5％的二氯甲基硅烷的氯仿溶液中10～30分钟，取出自然凉干，即可将含非单层孔材料的孔表面和最外层表面改性成与水的接触角大于90°的表面。

进一步，本发明优选所述贯通多孔材料的孔径大小和间隔均为20-100μm。

进一步，本发明推荐步骤(2)所述的在表面疏水的贯通多孔材料的一侧通空气或氮气，一般而言，只要在一侧持续鼓风，另一侧即能得到主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面。氮气或空气的鼓气流量在0.01-100L/s·cm²，优选0.1-1L/s·cm²。所述的“cm²”为贯通多孔材料的面积单位。

考虑到具体的应用场合，可以采用如下方法通入空气或氮气：将表面疏水的贯通多孔材料蒙或盖在一个底部(或上部)有通风口的半封闭空间上，形成封闭空间，然后从底部(或上部)通入氮气或空气。

本发明中，所述的在另外一侧得到超疏水表面是指由于持续通风，加上多孔材料表面的疏水特性，水滴难以在这种表面黏附铺展，呈完全超疏水状态，即不仅具有150°以上的接触角，还具有10°以下的滚动角。

本发明中，所述的主动超疏水是指超疏水表面不再靠被动窝藏空气实现超疏水，而是靠主动鼓泡来实现表面对水的超疏或排斥。

本发明中，所述的耐水冲击是指相比荷叶和仿荷叶人工超疏水表面，所制表面具有很高的耐水流冲击能力。具体依鼓气流量和网孔大小而定。

本发明中，所述的非荷叶型是指所制表面为网孔、交织纤维形成的孔以及泡孔等结构，而非荷叶表面的微纳乳突结构。

本发明可采用扫描电镜(SEM)来观察所得表面的微观形貌；用接触角测量仪测量所得表面的水接触角(包括静态接触角和滚动角)；用高速摄像机拍摄水流在表面上的弹跳行为，借此判断该超疏水表面的耐水流冲击能力。

本发明表面的超疏水性及耐水流冲击能力可由多孔材料的孔径大小、间隔、疏水处理程度以及鼓气流量等因素来决定。

本发明制得的新型超疏水表面可在水面航行器减阻领域获得重要应用。