[发明专利]具有超亲水及水下超疏油涂层及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料表面制备技术领域，特别涉及具有特殊浸润性表面，即具有超亲水及水下超疏油涂层及其制备方法和用途。

背景技术

表面浸润性是固体表面的重要特征之一，主要由表面化学和表面微结构共同决定。通过表面化学组成和微结构的调控，可以在物体表面形成不同类型的特殊浸润性表面，包括超疏水、超亲水性、超疏油和超亲油性等，在日常生活以及工业生产中有着广泛的应用。例如超疏水表面具有类似荷叶的自清洁效应，可以用来防结冰、防水和防污等；超亲水材料可以使得小液滴迅速铺平，即小水滴在玻璃表面上的接触角趋近于零度，形成均匀的水膜，这样就不会影响镜面成像和透光性，而且通过均匀水膜的重力下落带走污渍，达到自清洁效果；在水环境中的超疏油表面，由于油滴不能在其表面铺展，使得水下超疏油表面在船舶、海洋设备防污涂层，体内抗生物黏附材料以及油水分离等领域具有广泛的应用前景。

受细胞膜外表面的抗凝血这一特性的启发，人们设计与合成了亲水基团与磷脂类似的甜菜碱型两性离子化合物，如磷酰胆碱(PC)、磺酸甜菜碱(SB)和羧酸甜菜碱(CB)，研究表明，这类两性离子化合物能够通过静电诱导的水合作用束缚水分子而形成强亲水表面，表面紧密吸附的水分子赋予了材料表面的疏油性和抗生物黏附的特性。近年来，以仿细胞外层膜分子结构的甜菜碱型两性离子化合物为基础的亲水性仿生材料的研究得到了极大的关注。设计与合成新型的两性离子单体或化合物，探索简单、可行、有效的表面改性方法，在不同基材表面牢固地构筑两性离子化合物层是制备新型的水下疏油表面和仿生抗生物黏附表面的一条重要途径。

中国专利CN102029079B、CN102716676A、CN103100239A和CN103111096A中公开了采用各种不同方法制备具有水下超疏油性质的油水分离网，但均不涉及到平整表面涂层的制备方面；中国专利CN 101704955B公开采用自组装技术和异相成核技术，以壳聚糖和二氧化硅为原料构筑粗糙表面结构，来获得具有水下超疏油的材料表面，然而该材料的制备过程较为繁琐。另外，在前期工作的基础上（吴雅露, 李光吉, 刘云鸿, 等. 两性离子自组装仿生表面的制备, 表征及其抗黏附性能[J]. 高等学校化学学报, 2014: 1484-1491.），设计和合成了一种磺酸甜菜碱型的两性离子化合物，并通过自组装技术将化合物构筑在玻璃基材表面，模拟细胞外层膜的仿生表面，所制备的仿生表面具有优异的防雾性和抗细菌黏附性能，但是该分子自组装方法制备表面的技术过程较为繁琐，且膜层薄，稳定性较差。为了提高表面性能的稳定性，可将仿生两性离子材料构筑成一定厚度的涂层，可具有一定的实际应用价值。

发明内容

本发明旨在提供一种具有超亲水及水下超疏油涂层，及提供一种工艺流程简单的、低成本的具有超亲水及水下超疏油、以及具有抗生物粘附特性的多功能涂层的制备方法和用途。

为解决上述目的，本发明人采用了以下技术方案：

采用有机/无机杂化溶胶制备方法和表面自组装涂覆的方法，在材料表面构筑有一定厚度的含两性离子基团的有机/无机杂化涂层，所述的有机/无机杂化涂层由烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物、二氧化硅粒子以及其他助剂相混合并通过水解、自组装涂覆和热处理制备而成。

经过反复试验，最终确认了以下制备方法：

1、 室温下，将烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物溶解于醇溶剂中，配置成0.1~30.0 wt%的溶液，用0.01~0.5 M的盐酸溶液调节溶液pH至2~7，水解陈化1~8 h，得到A溶液；

2、将尺寸为5nm~300nm的纳米二氧化硅加入到醇溶剂中，得到浓度为0.1~20 wt%的溶液，为B溶液；

3、室温下，将A溶液、B溶液、稀释剂、水和粘结助剂混合并搅拌均匀，得到混合溶液；其中，混合溶液中的A溶液的含量为10.0~90.0wt%、B溶液的含量为0~80 wt%、稀释剂的含量为0~50.0wt%、水的含量为0.1~10.0wt%、粘结助剂的含量为0~20.0wt%。

4、将基材表面清洗干净，常温下晾干；

5、采用自组装涂覆方法，将步骤3得到的混合溶液涂膜在基材表面，在20℃~160℃条件下处理1~100min，得到超亲水及水下超疏油涂层。

所述的醇溶剂选自甲醇、乙醇、正丁醇、异丙醇所组成的组中的至少一种；

所述的稀释剂选自甲醇、乙醇、正丁醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、正己烷、甲乙酮、四氢呋喃、甲苯和二甲苯所组成的组中的至少一种；