[发明专利]一种全面疏液的仿生防污自清洁涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种全面疏液的仿生防污自清洁涂层及其制备方法。

背景技术

仿生型超疏水表面是近 20 年的研究热点，其在防污、防覆冰、抗菌、自清洁等方面有广泛的应用前景。荷叶是一种具有典型纳/微复合结构的天然超疏水表面，荷叶表面的微观结构可以形成稳定的气-液界面层，使水滴容易滚落从而具有不沾污的优异性能。通过模拟荷叶微观表面结构来赋予表面一定的疏液和自清洁性能。

专利CN103084323A提出一种仿生构筑基于金属泡沫的表面具有微纳米结构的超双疏材料，对水的接触角大于170°，滚动角小于1°。对润滑油食用油的接触角均大于150°，滚动角小于10°。CN103726342A公开了一种对普通的纺织面料的纤维表面在纳米尺度进行界面修饰、聚合和改性等处理加工，形成一种新型防污无污染、无毒的纺织面料。专利CN103408762A提出了一种可交联的氟硅树脂的超双疏涂层。

但是仿荷叶效应构建的超疏水表面仍存在蛋白质和细菌易吸附，压力稳定性差，不能抗物理损伤，对低表面能液体的防润湿性能差的缺点。

猪笼草的彩色唇叶是由具有微观粗糙结构的亲水组分构成，表面可储存水形成一层润滑水膜，使停在上面的昆虫滑进底部的消化系统。受猪笼草表面的启发，科学家将润滑液如全氟聚醚、硅油、离子液体等灌注到微/纳粗糙结构基材中，研究出灌注液体的光滑多孔表面SLIPS（Wong T S, Kang S H, Tang S K Y, Smythe E J, Hatton B D,Grinthal A, Aizenberg J. Nature, 2011, 477(7365): 443.）。其表面达到分子尺度的光滑， 能显著减小液滴滑动角和滞后角，具有全面疏液、自修复、 透明度高、温度和压力稳定性好等诸多优点，能够高效抑制各种基材包括油脂、血液、冰以及生物膜的粘附， 在自清洁涂料、海洋防污、生物医用领域具有广阔的应用前景。

现有文献报道大多是采用浸润法制备仿猪笼草表面，需要先通过复杂的方法制备高度粗糙表面（如刻蚀法、电化学沉积法、层层自组装等），涉及特定的设备、苛刻的条件和较长的周期，难以用于大面积制备。

发明内容

为了克服现有制备仿猪笼草表面技术的不足和缺点，本发明的目的在于提供一种工艺简单、易于操作、重复性好、应用方便的全面疏液的仿生防污自清洁涂层及其制备方法。

本发明提供了一种全面疏液的仿生防污自清洁涂层，所述涂层包括通过溶胶凝胶法在基材表面由二氧化硅颗粒以及短氟碳链取代的硅烷偶联剂构建具有纳/微粗糙结构的含氟表面的第一涂层；以及将所述第一涂层在全氟润滑油中浸润获得的第二涂层。

本发明还提供了一种全面疏液的仿生防污自清洁涂层的制备方法，包括：

1） 第一组分通过溶胶-凝胶法制备出疏水涂层材料，将其涂覆在基材表面形成具有纳/微结构的所述第一涂层；

2）将所述第一涂层浸润在第二组分中，得到所述第二涂层；

其中，所述第一组分包括：硅烷偶联剂3-10%、短氟碳链取代的硅烷偶联剂3-10%、硅溶胶10-40%、溶剂10-30%以及水30-60%；各百分比为质量百分比；

所述第二组分为全氟润滑油。

进一步地，所述第一涂层的形成步骤如下：

1）在氮气保护下，将所述第一组分包括的硅烷偶联剂、短氟碳链取代的硅烷偶联剂、硅溶胶以及溶剂在10℃~50℃下混合均匀， 边反应边滴加水，水解缩合反应1-5小时，得所述第一涂层的涂料；

2）将步骤1）制得的疏水涂料，涂覆到基材表面，再在80~160℃下热处理1~5小时，得到所述第一涂层。

进一步地，所述的硅烷偶联剂结构通式为:

或

其中，a、b为1~4的整数；X、Y为烷基或者苯基；硅烷偶联剂为其中一种或几种的混合物。

进一步地，所述的短氟碳链取代的硅烷偶联剂结构通式为：

其中，c为2～6的整数，d为1～4的整数；Z为链状或者环装的亚烷基、亚芳基、磺酰胺基、磺酰基、碳酰胺基和碳氧基其中的一种或者几种的组合。

进一步地，所述的硅溶胶是以醇类为溶剂，二氧化硅为溶质的酸性硅溶胶，溶胶pH为2~6，固含量为5%~50%，二氧化硅颗粒的粒径为10~300nm。

进一步地，所述的溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇或异丙醇中一种或几种组合物。