[发明专利]一种粘附型超疏水材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种超疏水粘附型材料及其制备方法。

背景技术

超疏水是指表面上水的表观接触角超过150°的一种特殊表面现象。近年来，超疏水表面引起了人们极大的关注，它在自清洁材料、微流体装置、催化、采油、涂饰、防水、和生物材料等许多领域等领域中有着广泛的应用前景。最典型的例子就是自然界中的荷叶表面，水滴在叶面上可以自由滚动，能够将附着在叶面上的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁。传统超疏水表面的制备一般采用两种方法：一种是在粗糙表面修饰低表面能的物质；另一种是在疏水性表面构建粗糙结构。关于超疏水粗糙表面的研制方法，主要有相分离法、模板法、溶胶-凝胶法、电纺法、刻蚀法、腐蚀法、自组装、化学气相沉积及其他方法。根据液体在表面的滚动效果，超疏水表面又可分为斥水型和粘附型超疏水表面。斥水型超疏水表面与水滴的接触角大于150°，但是对水滴粘附力很小，水滴很容易从表面滚落。自然界大量存在这种超疏水表面，比如荷叶，鸟的羽毛和水虫等都是这种低粘附力的斥水型表面。由于这种超疏水表面自清洁性能，大量的研究都专注这种表面的合成。粘附型超疏水表面不但与水滴的接触角大于150°，而且对水滴具有很强的粘附力，将表面倾斜或者倒置，水滴都不会滚动下来。这种超疏水表面虽然不能够自清洁，但是此种对液体高的粘附力，有利于在微米级别上对水滴进行操作，在无损失液体转移，微流控制体系和生物传感器等方面表现出很好的应用前景。相对而言，粘附型超疏水表面研究的较少。现有的研究都集中在对表面的结构控制上，利用毛细管力对液体进行粘附。发展一种简便合成超疏水粘附型表面的方法具有重要的意义

发明内容

本发明提供一种粘附型超疏水材料及其制备方法。

该材料是一种含有有机基团的二氧化硅纳米颗粒，通过控制表面的化学成分来调控粘附力大小。以该材料作为构建单元，在基体上进行沉积得到具有二维纳米粗糙度的表面。基体可以是玻璃片，硅片，金属或金属氧化物。

传统超疏水表面的制备一般采用两种方法：一种是在粗糙表面修饰低表面能的物质；另一种是在疏水性表面构建粗糙结构。与上不同，本发明采用低表面能有机物修饰的二氧化硅纳米颗粒为构建单元在基体上沉积，得到具有二重纳米粗糙度的表面。低表面能物质和粗糙度在沉积过程中一步实现。操作更为简单，方便。传统的粗糙结构只有一重粗糙度，或者一重微米级别粗糙度和一重纳米级别粗糙度。本发明制备的表面具有二重纳米粗糙结构。二氧化硅纳米颗粒本体组装成一重纳米粗糙度，本发明合成的有机修饰的二氧化硅表面本身非常粗糙，形成第二重纳米粗糙结构，两重粗糙结构都在纳米级别。

与通过控制表面结构来调变粘附力不同，本发明通过控制化学成分来调控粘附力大小，可以获得超疏水粘附型材料，接触角在140-170°之间，而且具有很强的粘附力，水滴在倾斜或者倒置的情况下不回滑落下来。

沉淀剂是水溶性的，而硅烷是油溶性的，为了合成粒径均一，高分散的含有有机基团的二氧化硅纳米颗粒，必须使沉淀剂与硅烷充分且均匀接触，本发明采用表面活性剂和助表面活性剂将氨水溶液高分散在油相之中，使得硅烷与沉淀剂充分且均匀接触，均匀沉淀。通过简单沉积和老化处理可以在基体上形成一个超疏水表面。

所述粘附型超疏水表面制备步骤，可按如下步骤操作：

a)无机沉淀剂在油相中的分散及其均匀沉淀：表面活性剂，有机相，助表面活性剂和氨水按照一定比例配置成溶液A。一定量的正硅酸乙酯或者正硅酸甲酯为硅源，配成溶液B。室温下，往A微乳液中加入溶液B，搅拌6～48h。

所得最终混合溶液的质量比为1～10表面活性剂∶0.5～6氨水∶5～15有机相∶0～6助表面活性剂∶1硅烷∶0.05～1.5有机硅烷。氨水浓度为1～30wt％。

加入1-10倍硅源质量的丙酮破乳，离心得到固体，加入5-50倍硅源质量的乙醇回流5～30min，离心，重复2～5次洗涤，分散在乙醇中，得二氧化硅乙醇分散液二氧化硅质量浓度为1～20wt％；

b)超疏水表面的形成：基体先用洗涤剂超声清洗，再用水、丙酮反复清洗2～6次，将二氧化硅乙醇分散液在基体表面上沉积，20～200℃下老化1～48h，得到超疏水表面。