[发明专利]超疏水的氟硅聚合物/纳米二氧化硅杂化纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超疏水纳米材料及其制备方法，尤其是涉及一种氟硅聚合物/二氧化硅(SiO₂)杂化纳米超疏水材料及其制备方法。

背景技术

近年来，表面与水接触角150°以上的表面(即超疏水性表面)由于其在人们日常生活和生产中潜在的应用价值而引起了人们广泛的关注。固体表面和水之间接触面有限，超疏水性表面与水较不易发生反应。这类超疏水性材料在工农业生产和人们的日常生活中日益凸现出巨大的应用前景，例如超疏水性表面用于玻璃、陶瓷等材料上，可以使材料具有自清洁或易于清洗；用于户外标牌上，可以防止因积雪导致的外观模糊；用于水上船舶、水下舰艇的外壳上，可以降低与水流之间的摩擦阻力，提高行驶速度；也可以用于服装等纺织品上，起到防水、防污和自清洁的效果。

一般制备超疏水性表面必须满足两个条件：一是物质的表面具有很低的固体表面能；二是在低表面能物质的表面上构建有一定粗糙度的微米或纳米相结合的阶层结构。其一，由于表面材料的润湿性是决定亲水和疏水的前提，因此低表面能物质的化学成分是获得超疏水性质的基础。其二，由于表面的微细几何结构是维持超疏水性质的关键因素，从接触角方面来看，决定其疏水性的主要是表面基团，形貌仅仅强化这一效果，因此在低表面能物质上构建粗糙表面和在粗糙的表面结构上修饰低表面能的物质，是研制仿生超疏水性涂层的基本途径。目前，已报道了许多制备超疏水性材料的手段和方法。具有低表面能的有机材料主要为有机氟材料和有机硅材料。但是有机氟材料暴露出耐低温性差的缺点，有机硅材料存在耐化学介质差等缺陷。而氟硅聚合物在保持有机硅材料耐热性、耐寒性的同时，兼具耐候耐老化、耐溶剂和油等优异性能和具有更低的表面能性能。含氟硅聚合物作为一种新型材料，有机结合了有机硅与有机氟化合物的优点，成为材料领域的一个新的热点。迄今为止，有许多制备粗糙表面的方法，主要有刻蚀和光刻、溶胶-凝胶工艺、层层自组装(LBL)和胶体组装、电化学反应和沉积、纳米粒子复合法等。其中纳米粒子复合法，在疏水性材料中引入纳米或微亚米粒径的粒子，改变涂层表面的化学组成和形貌，可以提高涂层的疏水性能。相比于其他方法，纳米粒子复合法制作聚合物超疏水涂层不需要复杂的仪器设备，制作成本低，容易大面积制备，具有实际生产应用的巨大潜能。其中表面引发的原子转移自由基聚合接枝法又有着其独特的优势，这主要是由于其适用单体广泛和实验条件较为温和。

公开号为CN101544838的中国发明专利申请提供一种超疏水纳米SiO₂/高聚物复合膜及其制备方法。将聚乙二醇单甲醚(MPEG)和聚二乙氧基硅氧烷(PEDS)进行酯交换反应合成MPEG-g-PEDS接枝聚合物，然后进行溶胶-凝胶化反应，凝胶粉末作为填料分散到高聚物溶液中，将该溶液涂布在基材上，干燥成膜。复合膜经水/乙醇溶液浸渍后，用表面修饰剂进行表面分子自组装，用正己烷将残液洗去后，干燥，即可获得具有超疏水纳米SiO₂/高聚物复合膜。这种方法虽然涉及一种超疏水纳米SiO₂/高聚物复合膜，但其不适合大规模或大面积应用。

公开号为CN101165083的中国发明专利申请将偶联剂处理过的纳米二氧化硅微粒均匀分散在聚苯乙烯溶液中，通过电纺制备出具有多孔微球与纳米纤维复合结构的二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜。此方法需要用到特殊的电纺丝设备。

公开号为CN101117713的中国发明专利申请公开了一种采用浸入-自组装制备超疏水改性SiO₂-聚氨酯复合涂层的方法，该方法通过在SiO₂表面利用硅烷偶联剂进行修饰后，使其带有活性基团(-NH₂)，制得改性SiO₂-二甲苯液；然后在基体上制备一层阿罗丁膜后，刷制一层聚氨酯涂层；最后浸入到改性SiO₂-二甲苯液中制得具有超疏水性能的改性SiO₂-聚氨酯复合涂层。但此种方法也不适用于大规模或大面积应用。利用表面引发聚合进行复合，得到纳米二氧化硅微粒增强的超疏水氟硅聚合物薄膜及其制备方法尚未见报道。