[发明专利]一种具有超疏水仿生表面的树脂基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有超疏水仿生表面的树脂基复合材料及其制备方法。该方法包括：对树脂基复合材料基体的表面进行打磨，直至其表面发白；采用超快激光对树脂基复合材料基体进行加工，使其表面具有微结构；采用气动式喷漆枪在树脂基复合材料基体的微结构表面喷涂第一涂料以形成粘结层，然后喷涂含有纳米二氧化硅颗粒的第二涂料以形成表面疏水功能层，得到具有超疏水仿生表面的树脂基复合材料。本发明提供的制备方法操作简单，易于生产，由其制得的具有超疏水仿生表面的树脂基复合材料能够使水滴在其上自由滑落，实现了真正意义上的自清洁超疏水功能。

技术领域

本发明涉及一种具有超疏水仿生表面的树脂基复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

固体表面对液体的润湿性(又称浸润性)是材料表面的一个重要性质，它是固体表面的结构与性质、液体的表面性质以及固液两相分子间相互作用等微观特性的宏观表现，固体表面的这种润湿性能可以用接触角(CA，ContactAngle)和滚动(SA，SlidingAngle)两个重要指标来衡量。人们通常将与水接触角大于90°称为疏水表面，与水接触角大于150°的表面称为超疏水表面，对于自清洁的超疏水表面，通常认为其滚动角要小于10°。

科研人员与基于自然界中动植物表面超疏水的研究，已揭示固体表面疏水性能差异主要取决于两个因素，一个是由于固体表面材料成分不同所导致的表面能差异，另一个是固体表面粗糙度不同所导致的表面微观几何形貌差别，一般情况下两者的协同作用才能使得固体表面具有超疏水性能。基于这两条基本原则，目前多采用以下两种方法来构建超疏水表面：一种是直接在材料表面形成粗糙结构的低表面能薄膜或涂层，主要通过化学方法形成氟碳化合物，硅树脂以及其它的一些低表面能有机化合物，也有采用物理或化学气相沉积制备粗糙的低表面能无机涂层/薄膜，但是目前超疏水性能与有机涂层相比，效果还较差；另一种则是通过化学腐蚀、模板压制以及光刻、等离子及激光等刻蚀方法对基底材料表面进行粗糙化，从而实现超疏水功能，或者再在其上进行低表面能薄膜和涂层(通常是由氟或硅化合物组成)的制备，从超疏水性能上说，后者的效果更好。对于工程化而言，第一种方法虽然在超疏水性能、环境适应能力和使用寿命上还有待改进，但是由于实施相对简单，同时技术相对成熟，因此目前此种方法在一些领域应用较多；而对于第二种方法，虽然采用刻蚀法形成粗糙表面再进行低表面能修饰，其超疏水效果好、环境适应能力强，但是该种方法对一些材料加工还存在局限，技术成熟度还不高，尤其等离子及激光等高能束刻蚀法，还处于试验室阶段，因此此种方法应用还较少。

目前，树脂基复合材料在各领域应用越来越多，其防潮、防水及防冰要求也越来越迫切，防水和防冰采用的方法主要有在复合材料内布置铜片等电阻丝，靠发热来防水防冰；另一种方法是在树脂基复合材料上直接制造低表面能材料或制备低表面能涂层。还有一种方法就是先采用化学腐蚀或模板压制形成微结构，然后再进行低表面能涂层的修饰。

对于第一种方法，电阻丝的布置困难，工艺不易实施，而且需要辅助设备，如电源等，因此不是未来技术发展方向，

对于第二种方法，在树脂基复合材料上直接制造低表面能材料或制备低表面能涂层，其环境适应能力和疏水性能还有限。

对于第三种方法，先采用化学腐蚀形成微结构，然后再进行低表面能涂层的修饰，文献《玻璃纤维增强环氧复合材料上超疏水表面层的制备》(王春齐，江大志，肖加余，《功能材料》2012)中公开了先制备含CaCO₃/环氧树脂表面功能层的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，再通过化学刻蚀与表面修饰，在玻璃纤维增强环氧树脂复合材料上制备出超疏水表面。此种方法虽然能够制备出二级结构仿生表面，但是微结构刻蚀采用化学方法，必须在树脂中添加CaCO₃才能实现，这对树脂基复合材料本身性能有影响。