[发明专利]一种水性超疏水材料的制备方法

说明书

本发明为一种水性超疏水材料的制备方法。该方法包括：(1)利用硅烷偶联剂对二氧化硅表面进行改性，形成表面带有双键的二氧化硅；(2)利用乳液聚合的方法在表面接枝上疏水的聚合物长链，制备出一种水性超疏水材料。该聚合物在玻璃化转变温度以上，聚合物链开始运动，链与链之间会相互缠结，材料微球和微球之间结合更加紧密，因此纳米颗粒不易脱落，增加了材料的耐磨性，避免了使用粘合剂带来的不足。本发明采用乳液聚合的方法，避免用有机溶剂，对环境污染小，成本低，制备过程简单。

技术领域

本发明的技术方案涉及有机、无机以及高分子材料领域，具体涉及一种水性超疏水材料的制备方法。

背景技术

早在20世纪人们就发现荷叶表面微米尺度的粗糙结构是其具有疏水性与自清洁功能的关键。2002年江雷研究组[L.Jiang,et al.Adv.Mater.,2002,14,1857.]发现在荷叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结构,认为微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面强疏水性的根本原因。该研究组发表在2004年Nature上的报告揭开了水黾能够在水面上飞行的秘密 [L.Jiang,et al.Nature,2004,432,36.]。当材料表面对水的接触角大于150°、滚动角小于10°时，我们称此材料具有超疏水性。这种具有特殊润湿性能的超疏水涂料在防冰覆、防腐蚀[Q.Liu, et al.J.Electro.chem.Soc.,2016,163:213.]、自清洁及油水分离[Y.Chen,et al.Appl.Surf.Sci., 2015,335:107.]等方面具有重要的应用。因此，近年来超疏水材料的制备越来越受到人们的关注。

具备超疏水效果的表面通常具有两个条件：一个是表面具有一定的粗糙度，即微纳结构；另一个是在粗糙表面上修饰低表面能物质。常用的方法有：刻蚀法、溶胶凝胶法、模板法等。例如，Huang等人采用NaOH溶液刻蚀铝合金表面，构造出鳞片状微纳米结构，通过低表面能物质修饰后，其对水的接触角达到了156°[Y.Huang,et al.Appl.Surf.Soc.,2015,356:1012.]； Lee等人用溶胶凝胶的办法在硅铝合金表面形成具有纳米突起的SiO₂薄膜，并用低表面物质修饰SiO₂得到超疏水表面[J.W.Lee,et al.Mater.Lett.,2016,168:83.]；Zhang等人用烟灰做模板制备出接触角高达160°的超疏水纸[J.H.Zhang,et al.RSC Adv.,2016,6:12862.]。可规模化、低成本制备，方便使用，同时具有耐摩擦性能的超疏水涂层是当前超疏水材料发展的主要方向。

聚合物/无机复合材料由于其具有独特的性能在各个领域中广泛取代传统材料。其中，制备二氧化硅/聚合物复合材料并将其应用于超疏水领域已成为研究的热点。但是目前制备的超疏水材料主要是利用有机溶剂如甲醇、乙醇或乙酸乙酯溶解低表面能材料(LSEM)，一旦放大生产有机溶剂会造成巨大的环境问题。其次，当前技术中这些材料的微粒之间仅仅是物理作用，微粒之间的结合力比较差，因此纳米颗粒很容易脱落，导致材料的附着力差。目前主要是通过加粘合剂来达到增加微粒间结合力的，但该方法存在一些不足，添加太少，不足以增加微粒间的结合力；添加过多，会造成相分离，也会掩盖材料表面的微纳结构，达不到超疏水的效果。

发明内容

本发明针对当前技术中存在的耐久性能差、粘合剂与纳米颗粒难以适量调配以及污染环境等不足，提供一种水性超疏水材料的制备方法。本发明在乳液聚合步骤中，由于乳化剂和单体选择对接枝量有重要的影响，且乳化剂对单体的乳化效果直接影响单体接枝到二氧化硅表面的量，故选择了甲基丙烯酸十七氟壬酯、甲基丙烯酸十七氟癸酯、甲酯丙烯酸十二氟庚酯等低表面能单体的物质；接枝上聚合物长链，利用疏水聚合物在玻璃化转化温度以上，聚合物链开始运动，链与链之间会相互缠结，材料的微球和微球之间结合更加紧密，因此纳米颗粒不易脱落，增加了材料的耐磨性。本发明制备操作简单、成本低廉，无需昂贵设备及严苛工艺条件，具有优异、稳定的超疏水性能，并且所得到的超疏水材料附着力好，具有良好的工业发展应用前景。