[发明专利]具有阶层粗糙结构的超疏水材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种具有阶层粗糙结构的超疏水材料，其特征在于：基底材料表面具有二次粗糙结构的金属氧化物微球，其外表面再修饰有低表面能物质层。本发明进一步涉及所述材料的制备方法和用途。本发明具有阶层粗糙结构的超疏水材料制备工艺简单、材料稳定性好，在自清洁、防水防污、减阻降噪、油水分离等领域具有优异效果。

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备领域，特别涉及一种具有阶层粗糙结构的超疏水材料及其制备方法和用途。

背景技术

超疏水材料因其优异的拒水性能，在自清洁、防水防污、减阻降噪音、水处理等领域表现出了广阔的应用前景。然而，采用传统的氟和硅材料对固体材料表面进行简单的涂覆，难以实现材料的超疏水性能。

研究表明，材料表面的疏水性是由表面能和表面粗糙度决定的。所以提高膜表面的疏水性，就要提高粗糙度和降低表面能。

目前表面涂覆改性的方法，大多涂覆材料多是含氟的低表面能材料，这种材料不但有毒而且昂贵。而表面接枝改性又会对膜本体造成一定的破坏，使得膜强度下降。目前对于超疏水表面的构建通常采用表面能较低的涂层材料，用物理化学方法制造出微米甚至纳米级别的粗糙结构，亦或是先构建表面的微纳米级粗糙结构再降低其表面能。基于此原理，已有气相沉积法、化学刻蚀法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、层层自组装法、喷涂法等多种构造超疏水表面的方法。

CN106811957A公开了一种乳液分离的超疏水表面的制备方法，该方法首先制备二氧化硅颗粒，再加入硅烷偶联剂获得超疏水涂层液，最后将织物浸渍在超疏水涂层液中，干燥，构筑具超疏水的织物表面。

CN201710904266.2公开了一种制备超疏水材料的方法，将基底材料浸泡在二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铈(CeO2)纳米粒子的前驱体溶液、含纳米粒子的溶液或含纳米粒子的液溶胶中处理，干燥，得微米-纳米复合粗糙结构的基底材料，然后于硅烷偶联剂溶液或氟硅烷溶液中浸泡干燥。

CN104802488A公开了用于油水分离的具有阶层粗糙结构的超疏水涂层的制备方法，通过层层静电自组装的方法在不锈钢筛网表面组装了10-50nm和70-500nm两种粒径的球形SiO₂纳米粒子，再修饰一层低表面能物质而获得了超疏水的涂层。

上述方法大多是首先将纳米颗粒制备出来，然后再通过混合和涂覆来构筑粗糙度，在此过程中纳米颗粒容易聚集，造成重复性差、材料的浪费，虽然静电自组装方法在一定程度上可以避免纳米的颗粒的团聚和聚集，但是静电相互作用，纳米颗粒和基底的结合度和稳定性较差。

针对上述问题，本发明提供了一种具有特殊粗糙结构的超疏水材料，其中纳米颗粒在基材表面原位生长，以化学键与基底连接，不易脱落，并且原位成核结晶避免了颗粒团聚。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有阶层粗糙结构的超疏水材料，包括基底材料和在基底材料表面原位生长的金属氧化物微球，且所述微球外表面进一步修饰有低表面能物质层。

其中所述金属氧化物微球由粒径为3-10nm的金属氧化物纳米粒子构成，微球的直径在30-500nm范围。所述金属氧化物微球使得所述超疏水材料表面表现为粗糙结构，同时所述金属氧化物纳米粒子使得该微球表面同样表现为类草莓状的粗糙结构，由此，所述金属氧化物微球和组成该微球的金属氧化物纳米粒子构筑的双重粗糙度使得所述超疏水材料表面具有阶层粗糙结构(也可称为二次粗糙结构)。

所述金属氧化物包括二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铈(CeO2)和四氧化三铁(Fe3O4)。

所述低表面能物质材料可以选自三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲基硅氧烷、十八烷基三氯硅烷(OTS)、六氟丁基丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、甲基丙烯酸十八烷基酯、硬酯酸中的任一种或多种。