[发明专利]一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法

说明书

技术领域

一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法，本发明属于新型材料领域，特别属于自清洁光学材料领域。具体涉及无机纳米材料的制备、光学涂层膜的制备、表面处理技术领域。

背景技术

为了防止透明基材受到污染，影响其透光率，需对其表面进行自清洁增透涂层保护性处理。具有超双疏（超疏水、超疏油）高透光率的涂层膜，具有防霜、防雾、抗污染、抑菌的自清洁性能，且兼具优良的透光性，可在恶劣的环境中有效地保护光学元件、光电子元件、太阳能电池和激光系统的性能不受环境的影响，大大拓宽了这些设备的使用范围，保证了使用可靠性和延长使用寿命，从而大幅度地提高这些设备的实用价值。

超疏水表面在自然界中很常见，如植物的叶子、水黾的脚、蜘蛛的丝、蝴蝶的翅膀、西瓜皮、蛾眼等。水在这些表面上形成接触角超过150°的小液珠，若表面略微倾斜就会迅速滚落。表面污染物如灰尘等可以被滚落的水滴带走而不留下任何痕迹，这种表面自清洁效应，称为“荷叶效应”。经研究表明：荷叶的超疏水性是由表面上的微米-纳米级复合结构的乳突及表面疏水的蜡状物质共同作用产生的，其微观结构为下层微米级的乳突上分布着纳米级的微结构。因此公认的制备超疏水表面的关键是有效构筑表面微纳复合结构（或表面粗糙度）及进行表面化学修饰以降低表面自由能。在平表面上，通过降低表面自由能最多只能将接触角提高至大约119°。因此，人工构建超疏水表面的关键在于构筑合适的、具有双（多）重微纳复合粗糙度的层次结构。

与超疏水表面相比，构建超双疏表面是个技术难题，因为低表面能的有机液体，如醇或油，更易于在固体表面铺展开来。因此大多超疏水的表面并不疏油，即不能有效避免低表面能液体造成的污染，如植物油，而这种油污染可以轻易地影响甚至完全破坏其超疏水性。现实的应用环境里很多污染物为有机物，因此表面必须同时疏水疏油才能有效阻止或减少有机污染物的附着、防灰尘、防结霜、防雾和抑菌，从而真正实现自清洁效果。

另一方面，表面粗糙度越大，疏水性能越好。但是粗糙度越大，表面散射越强，导致透光率降低。由于透光率与粗糙度是两个相互竞争的因素，因此控制合适的表面粗糙度，构建超疏水超疏油增透涂层膜是个技术难题。目前的文献报道主要集中于超疏水涂层，少量涉及超疏水透明涂层膜或超疏水超疏油涂层膜，这些人工构建的双（多）重微纳复合粗糙层次结构在提高涂层表面疏水疏油性能的同时，有的降低了透光率，有的由于基材和微纳复合粗糙结构之间及微纳复合粗糙结构内部结合力多为物理吸附，因而结合力弱，机械性能差，耐用性不够，性能不稳定，更有甚者容易脱落，难以在恶劣环境中使用，使其实用价值大打折扣。

因此构建具有超疏水超疏油兼有增透功能的，高机械强度、高稳定性、耐用性强的玻璃表面，是个亟待解决的问题，具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法，使所得玻璃表面层具有超疏水超疏油自清洁性能的同时兼有优良的透光率和高机械强度，实现稳定性高、耐用性强、具有实际应用价值的自清洁玻璃表面层，可在恶劣的环境中有效地保护光学元件、光电子元件、太阳能电池和激光系统的性能不受环境的影响，大大拓宽这些设备的使用范围，保证其使用可靠性和延长其使用寿命，从而大幅度地提高这些设备的实用价值。

本发明的技术方案：一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法，可通过以下技术方案实现：先通过NH₄F/HF刻蚀液刻蚀玻璃本体表面，以获得超疏水超疏油所需的表面双级微纳结构中的下层亚微米粗糙结构，然后通过纳米二氧化硅在混合溶剂中的分散液进行喷涂，直接构建成具有悬垂结构的双级粗糙玻璃表面层，通过调控溶剂的比例，可达到最佳填充因子，再以小分子含氟化合物为修饰剂，以具有优良成膜性能及透光性的聚甲基丙烯酸甲酯为成膜液，进行氟化修饰，制得所述超双疏增透玻璃表面层。

一种超双疏增透玻璃表面层的制备方法，具体包括如下步骤：

亚微米级粗糙玻璃表面的制备：玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀30～60min，NH₄F/HF刻蚀液的配比：氢氟酸(mL):水(mL):氟化铵（g）为0.1～0.15:1:0.5～0.6，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；