[发明专利]超疏水自清洁涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及超疏水自清洁涂层及其制备方法。

背景技术

结雾、结污、结霜等现象给人们的日常工作和生活造成了很大的困扰，势必造成资源和能源的消耗及环境的污染。因此，为改善工作和生活环境，减少资源和能源的浪费、保护环境，许多科研机构投入了大量的人力、物力来解决这些难题。近年来，自清洁功能表面的研究工作发展迅速，并具有的广阔应用前景。

材料表面的自清洁性是一种材料表面具备的独特物理化学特性，这种材料表面无需人工清洗，只需要利用自然环境中的雨水、风能等便能达到持久洁净的效果。自清洁材料又分为超亲水和超疏水两种类型，在超亲水性表面上，小水滴会迅速铺展形成均匀水膜，在增透、防雾等方面有良好的体现；超疏水性表面定义为与水的静态接触角大于150°，滚动角小于10°。具备超疏水性的材料表面与水的接触面积非常小，会产生如荷叶表面上液滴自由滚动的现象。在倾斜一定角度的超疏水性表面上，水滴会由于受到重力作用而滚动离开，并利用自身表面张力粘附带走材料表面上沉积的灰尘等污垢，从而保持材料表面的清洁。因此，材料表面的超疏水性具备许多优良的性能和广阔的应用前景，超疏水自清洁表面可以有效地抑制材料表面的氧化、腐蚀、污染物附着、霜冻，减少材料表面电流传导等。超疏水表面应用在室外天线上可以防积雪，从而保证高质量地接收信号；如果将超疏水表面运用在轮船外壳或流体运输管道内壁上，可以减少表面对流体的阻力；应用于生物医疗器械、微流体器件、炊具、服装、显示器、高层建筑物和燃料储备箱表面等，可以达到防污、防雾、防腐的效果。

其实早在19世纪初，材料表面润湿性能的研究工作就已开始进行，并一直非常活跃。(德国)Hollyway等人对自然界中2万多种植物的表面化学成分进行了分析，发现大部分植物表皮的主要成分都是疏水性油脂(生物蜡晶(三十六烷)与水的静态接触角CA≈91°，滚动角SA≈87°)，其中荷叶(CA≈160.4°)的疏水性最好。(德国)Barthlott等人观察了荷叶表面生物蜡晶的形貌，发现了微米级类球状突起这一表面立体结构，并猜测这种结构就是植物表面显现超疏水性(CA＞150°，SA＜10°)的原因。而中国江雷等人通过仿生学模拟研究工作，以及不同表面模型结构的构建、对比发现：在植物的疏水表面上，普遍存在着均匀分布的微米级突起，同时还有这些突起周围分散的纳米级二次结构，因此得出决定超疏水性能的根本原因正是上述微米-纳米复合的阶层结构。这种结构不仅减少了固、液两相之间的实际接触面积，而且也使得表面与污染物(粉体或液滴)的作用力减弱。当涂层表面有液滴滚动时，污染物就很容易被带走。虽然目前超疏水性涂层的制备和理论研究方面均取得了巨大的进展，已经利用很多的方法制备出了性能优异的超疏水性涂层，但是还存在着许多问题限制了超疏水技术的推广和实际应用。

近年来发展了大量的超疏水涂层制备技术，如溶胶-凝胶法、表面氟化法、化学气相沉积法、电化学沉积法、静电自组装法、等离子体处理法、化学刻蚀法等。理论上超疏水涂层需要具备两大要素：疏水性的材料(低表面能物质如氟聚合物、硅氧聚合物)和适当的粗糙结构(如微米-米纳复合阶层结构、针状结构等)。

实际中采用的方法通常要求工艺简单以及原材料易得。目前真正具备实用性、高效性、环保性的自清洁涂层并不多见。中国发明专利CN101007304A中公开的：在100℃下，利用硝酸及硝酸的铜盐和镍盐腐蚀铝板，得到超疏水的铝及铝合金表面。该方法仅局限于铝制品表面的超疏水修饰，而且制备前需要砂纸打磨铝表面，抛光膏打磨，反复于超声中水洗、丙酮洗等许多工艺。CN101649152A中用到硅丙乳液、正硅酸乙酯、有机硅烷、碱性催化剂、水性聚(甲基)丙烯酸酯等反应原材料，在制备过程中涉及到水解、催化等反应及搅拌、pH调节、热干燥等步骤。该发明涉及到的原材料种类繁多，对各反应的控制要求较高，这些都不利于实际的利用。类似还有中国专利CN101307210A，该发明中运用硅丙乳液、水性氟树脂乳液纳米氧化物粒子、无机制孔化合物、无机酸配制成一定pH的水性氟硅丙涂料，在制备涂层时还需用到湿膜制备器(含纳米粒子的超疏水水性氟硅丙涂料)。CN101157809中公开了一种超疏水EVA涂层的制备方法，将热溶胶EVA溶解与芳香族溶剂中(如二甲苯、甲苯、苯)，再混以纳米级的碳酸氢铵，采用流延法制备得到涂层，然后需要在相对湿度为60％～75％，室温大气环境下干燥18～30小时后得到最终涂层。CN200510095423.7公开了超细纤维增强含氟涂层具备超疏水和疏油等优点，但制备方法比较繁琐，很难在大面积的工程表面施工。