热水不沾的表面结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种疏水材料，特别涉及一种热水不沾的超疏水界面结构及其制备方法，属于材料科学领域。
【背景技术】
[0002]通常,与水的接触角大于150°同时滞后角小于10°的固体表面被认为是超疏水界面，超疏水界面因其在基础研究和技术应用诸如自清洁、防腐、低温蒸汽滴状冷凝强化传热、抗凝露、抗结霜等方面具有重要的价值，引起了学术界和工业界的广泛兴趣。然而，考虑到实际应用时，热水不沾的超疏水界面有很好的应用前景。例如制备防热水烫伤的新型材料、热水输运管道的表面设计成热水不沾的超疏水表面可有效减阻降低能耗、强化蒸汽冷凝传热等。众所周知，高温水滴具有更低的界面张力和更强的浸润特性，其在经典的超疏水荷叶表面的黏附急剧增加，热水温度达到55°C时荷叶表面的超疏水性完全失效。另外，还有文献报道经热水处理过的超疏水表面对水的抗逆性能都有不同程度的降低。因而，此超疏水表面的实际应用性大大降低。
[0003]依据文献“can superhydrophobic surfaces repel hot water ?，，(J.Mater.Chem.，2009, 19，p5602_5611)的记载，25°C的常温水与55°C的热水分别滴在荷叶表面，前者在超疏水的荷叶表面呈珠状；但后者则是铺展在荷叶表面。在SEM下观察经热水处理后的荷叶表面的微纳复合结构塌陷；另外该文献提到热水在其人工合成的超疏水表面的接触角有160°降至80°左右，可见此超疏水表面并不能完全抗逆热水的撞击。
[0004]目前所公开的专利中尚未涉及热水不沾超疏水表面，即当热水滴或热水流以静态或动态的方式撞击在超疏水表面仍维持不沾超疏水性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种热水不沾的超疏水界面结构及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
[0006]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种热水不沾的超疏水界面结构，包括形成于基底表面的纳米阵列结构，所述纳米阵列结构包括阵列排布的复数纳米突起，且至少所述纳米突起顶部具有锥状结构，其中相邻纳米突起之间的距离在50?500 nm,所述纳米突起的顶部直径为I?200 nm,同时所述纳米阵列结构表面还修饰有低表面能物质。
[0007]前述热水不沾的超疏水界面结构的制备方法包括:
(1)将基底表面清洗后，以不与基底材料反应的气体吹干备用；
(2)将经步骤(I)处理后的基底置于反应液中，并将反应液加热至25?100°C，保温5min以上，从而在所述基底的底端面上生长形成所述纳米阵列结构，所述反应液是含有摩尔比为1:6?1:10的可溶性锌源物质和可溶性碱性物质的均一溶液；
(3)在步骤(2)所获纳米阵列结构表面修饰低表面能物质，形成所述热水不沾的超疏水界面结构。
[0008]进一步的，前述步骤(I)包括:依次用丙酮、乙醇及去离子水超声清洗基材各15min以上，随后用不与基底材料反应的气体吹干，所述不与基底材料反应的气体包括纯氮气。
[0009]进一步的，前述步骤(2)包括:将浓度为0.1mM?5M的锌源物质水溶液与浓度为
0.1mM?5M的碱性物质水溶液混合，同时伴以搅拌，避免出现沉淀，从而形成均一透明的反应液。
[0010]进一步的,所述纳米突起包括氧化锌纳米锥或氧化锌纳米铅笔状突起。
[0011]进一步的，所述基底可选自但不限于铜材，还可以是修饰晶种的基底，如玻璃、高分子材料等。
[0012]进一步的，所述低表面能物质可选自但不限于氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂、高级脂肪酸中的任一种或多种的组合。
[0013]进一步的，前述碱性物质可选自但不限于氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氨水、尿素中的任一种或多种的组合。
[0014]进一步的，所述锌源物质可选自但不限于硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、磷酸锌、乙酸锌中的任一种或多种的组合。
[0015]进一步的，前述步骤(3)包括:选用蒸镀法、浸泡-烘干法或其它业界已知的方法在步骤(2)所获纳米阵列结构表面修饰低表面能物质，形成所述热水不沾的超疏水界面结构。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果包括:
(O该超疏水界面结构具有良好的热水不沾性，与水的接触角超过160°，可以实现热水滴的不沾撞击且瞬间弹离，有助于设计新型的防热水烫伤的防护材料、低能耗热水输运表面、强化冷凝传热的超疏水界面，可应用于航空航天、核能、材料、环境工程、新能源以及农业工程等诸多高新技术领域。
[0017](2)该热水不沾的超疏水界面结构的制备方法系简单的化学浴生长法，易于操作和调控，无需任何昂贵设备，低耗环保，重现性好，周期短，能够大面积制备，而且根据生产规模的需求，通过适当调整即可产业化，具有很好的工业应用前景。
【附图说明】
[0018]图1a-图1b分别是本发明实施例1、2所获氧化锌纳米锥阵列和氧化锌纳米铅笔阵列的结构示意图，其中:11-基底、12-氧化锌纳米锥阵列、13-氧化锌纳米铅笔阵列；
图2a-图2b分别是本发明实施例1、2所获氧化锌纳米锥阵列和氧化锌纳米铅笔阵列的结构侧面图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]但是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0021]本发明的一个方面提供了一种热水不沾的超疏水界面结构，其包括形成于基底表面的纳米阵列结构，所述纳米阵列结构包括阵列排布的复数纳米突起，且至少所述纳米突起顶部具有锥状结构，其中相邻纳米突起之间的距离在50?500 nm,所述纳米突起的顶部直径为I?200 nm,同时所述纳米阵列结构表面还修饰有低表面能物质。
[0022]进一步的,前述纳米突起包括氧化锌纳米锥或氧化锌纳米铅笔状突起。其中，氧化锌作为一种直接带隙宽带半导体，具有很好的化学稳定性，在新能源、材料以及微电子等诸多领域有广泛的应用。
[0023]并且，本发明的氧化锌纳米锥阵列经表面修饰后，表现出优异的热水不沾超疏水稳定性，换言之，当热水滴撞击在氧化锌纳米阵列表面时，并不会浸润此接触表面，此表面仍维持超疏水性。
[0024]本发明的纳米阵列结构实际上是纳米尺度间隙紧密排列的准直纳米针锥阵列，其不仅可以确保非浸润的气-液界面热稳定，而且可以有效避免固-气-液三相接触线的钉扎力，不同温度的热水液滴即使在剧烈的撞击过程中瞬间铺展也可以迅速弹离，整个驻留时间在10 ms左右，使得水滴因温度升高而带来的低表面张力和低流体沾度的效应忽略不计。
[0025]本发明的热水不沾的超疏水界面结构，或认为是热稳定的超疏水界面可抗逆热水滴的撞击，有助于设计新型的防热水烫伤的防护材料、低能耗热水输运表面、强化冷凝传热的超疏水界面。
[0026]本发明的另一个方面提供了一种制备前述热水不沾的超疏水界面结构的方法，其主要是利用化学浴沉积法实现的，包括如下主要步骤:基材表面的预处理；化学浴生长。通过控制生长液(或称为“反应液”)的物料配方、生长液浓度以及温度、生长时间等实验条件可以实现纳米结构的尺寸、形貌和密度的调控。
[0027]在一较佳实施方案中，前述热水不沾的超疏水界面结构的制备方法可以包括:
(1)将基底表面清洗后，以不与基底材料反应的气体吹干备用；
(2)将经步骤(I)处理后的基底置于反应液中，并将反