[发明专利]一种超疏水功能材料的制备方法、超疏水功能材料及应用

说明书

技术领域

本发明涉及涂层、化工、生物芯片领域中制备既具有超疏水功能又具有其他功能的材料的制备方法及超疏水功能材料。

背景技术

随着环境保护意识的增强和生活节奏的加快，人们越来越多的青睐于使用各种自清洁材料来减轻家务的负担，比如自清洁服装，自清洁家具，自清洁建筑材料等，都可能进入每个百姓的家庭。同时，具有自清洁功能的材料往往还有一些优越的功能，比如有导向性的自清洁材料可以帮助雨水收集以解决水资源短缺，根据油和水的不同浸润性可以用来实现油水分离……近些年，随着城市环境中雾霾等污染物的增加，建筑物外墙、玻璃表面、生产设备外壳等暴露在大气中的外表面更容易堆积灰尘从而影响其正常使用。目前，灰尘的清洗工作主要还是靠人工来完成，高层建筑物的清洗不仅耗时而且还具有一定危险性，能否利用材料的自清洁功能去除其堆积在表面的灰尘越来越受人们的关注。达到自洁净效果可以使用两类材料：一类是亲水或者是超亲水的材料，另一类疏水材料甚至超疏水材料，超疏水材料的定义是要求接触角一般在150°以上，实现自清洁的原理在于：当水滴或雨水滴落到超疏水材料的表面时，散落在表面上的灰尘会被粘附或者溶解在水滴中，同时由于水滴无法润湿到固体表面，即使有微小的倾角水滴也极易从其表面滚落，从而带走附着的灰尘。这种疏水材料作用原理与自然界中的荷叶十分相似，在基础科学领域和工程领域都受到了极大的重视。科研人员制备了多种具有这样疏水功能的材料。

不同疏水材料的制备主要是通过两种方法来实现的：一种是在固体表面引入大量细小的微纳米结构，当液滴落在表面上时，微结构中捕获了空气，从而增加了疏水性；另一种是在固体表面覆盖一层表面张力较小的材料，增大接触角的同时，阻隔液滴与衬底材料的接触。在实际的研究中，这两种方法常常结合在一起使用，即在具有微纳米结构的材料表面再覆盖具有较小表面张力的材料，取得了很好的疏水效果。

要想将实验室制备的这些超疏水材料运用到日常生活中，必须考虑以下问题：制作工艺的复杂性，原材料成本以及对环境的影响，制作过程的能源消耗，制备的时间周期，材料的环境耐久性，等等。

传统微纳米结构的加工方法很多，主要有刻蚀、微印刷、溶胶凝胶法等。这些方法一般会经历准备掩膜板、曝光、刻蚀、覆盖等多个复杂的工艺，而且每一个步骤都决定着成品的质量好坏。此外，这些方法适用于面积较小的样品，很难应用于大块材料的制备。即使大块的制备能够实现也会带来过高的成本问题。其他常见的离子束刻蚀和激光刻蚀等方法成本则更高。其他一些微纳结构制作方法如化学气相沉积则一般要求在相对较高的温度下进行，有时甚至还要求真空环境，需要消耗大量的能源。同时制备所需要的时间也很长，能源成本和时间成本都不容忽视。很多报道采用在固体颗粒表面覆盖一层表面能低的材料增加材料的疏水性能。如果采用这种方法，就必须要考虑这些材料的环境污染问题以及对人体健康的影响。例如常见的不粘锅上使用的聚四氟乙烯(特氟龙)涂料，由于担心这类材料在高温下有可能产生有毒物质，一些发达国家已经禁止了这类产品的使用。

此外，具有微纳结构的产品应用到现实中还要考虑到很多实际问题，例如空气中的灰尘的覆盖。灰尘除含有固体颗粒外还含有很多种其他物质，这些物质中的有机物类大分子能够较强地吸附在固体表面而又不能溶于水，因此一般的疏水材料很难将其冲刷掉。当微纳结构表面过多的吸附了这些难以清除的大分子后，原有结构和化学成分就会逐渐被改变，从而失去疏水性能。

另外，若将有超疏水性能的自洁净材料应用于室外环境，还必须考虑材料能否经得住酷暑、严寒、日光照射等天气的考验，这要求材料具有较好的化学稳定性。有机材料因其易于合成、价格低廉的特点而成为疏水研究中经常要使用的材料。但是很多有机材料易在阳光直射的环境下分解，失去原有的功能，耐候性较差，因此应该尽量避免直接将有机材料暴露在材料表面。而某些氧化物比如二氧化钛则相对稳定并且具有很好的耐候性，如果能够将这两者相结合在一起使用则有望制备出适合室外环境使用的自洁净材料。

因此，要实现这类自洁净材料的实际应用必须要找到一种可以实现低成本、高效率、无污染的制备方法，并且赋予材料稳定性、光催化等性能。另外，在微流体和生物技术领域，利用亲疏水图案来进行相关的器件设计和应用就要求材料能够实现亲水—疏水结构的图案。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有疏水材料及其技术上存在的不足，提供了一种层状超疏水材料的制备方法、该超疏水功能材料及其应用。

为实现上述目的，本发明提出一种超疏水功能材料的制备方法，包括：

步骤1：选择需要做超超疏水处理的材料作为衬底层，清洗衬底层表面至洁净；