一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法与流程

本发明涉及材料表面加工技术领域，特别涉及一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法。

背景技术：

浸润性是材料表面的重要特征之一，表面可控浸润性的研究无论在基础研究和工业应用方面都有着重要的意义。自然界中生物体中独特的微米、纳米结构赋予其特殊的表面浸润性能。例如，荷花的自清洁性，水黾腿的超疏水性，玫瑰花瓣的粘附性，等等，都与它们的表面特殊微观结构密切相关。正是由于生物体表现出的优异性能，科技工作者才迫切地想用各种方法制备仿生表面，以实现将这些性能应用到实际生活中。

超疏水表面一般是指接触角大于150°、滚动角小于10°的表面。由于超疏水表面对液滴的粘附较小，液滴在其上面很容易滚落，因此具有超疏水的特殊浸润性表面广泛应用于防水、抗结冰、防腐等领域。然而，材料表面的单一特殊浸润性（比如超疏水性），已不能满足实际应用要求，往往需要材料表面具有复合润湿性。例如，在水蒸气冷凝过程中，材料表面的超疏水性有利于凝结液滴快速脱离表面，却不利于水蒸气分子在表面的核化生长；一般疏水的材料表面有利于水蒸气分子的核化生长，然而却不利于凝结液滴的快速脱落。因此，具有复合润湿性特征的材料表面既能满足水蒸气分子的快速核化，又能促进凝结液滴的脱落。现有技术制备的材料表面往往寿命较短、容易失效，并且在制备过程中需要昂贵的设备，所使用的试剂对环境不友好，制备过程复杂费时。如何利用简单的方法，快速构筑包含纳米/微米结构的复合润湿性表面是当前材料表面加工技术领域中的难点。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种操作方便、低成本，易于大规模生产且寿命较长的具有复合润湿性特征的表面制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明以贯通多孔材料为模板，辅以沉积蜡烛灰碳颗粒的方法，在目标基体表面构建微纳二级结构，疏水化处理后能够获得超疏水/疏水复合润湿性表面。

一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法，包括以下步骤：

（1）将贯通多孔材料覆盖在目标基体表面上，并固定好；

（2）将基体置于距离蜡烛火焰顶点一定高度处进行蜡烛灰沉积，冷却；

（3）将贯穿多孔材料从基体表面上剥离；

（4）将基体放入干燥器中，同时放入两个开口玻璃瓶，分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器，静置24小时；

（5）将基体从干燥器中取出，放入加热装置中进行煅烧，冷却；

（6）最后用氟硅烷对基体表面进行疏水化处理。

本发明所述具有复合润湿性特征的表面的制备方法，其进一步技术方案可以为，步骤（1）所述的贯通多孔材料可以是铜网、不锈钢丝网或者微孔板等，孔径大小和间距在50~400mm。

本发明所述具有复合润湿性特征的表面的制备方法，其进一步技术方案可以为，步骤（1）中所述的目标基体可以是玻璃、陶瓷或者水泥等抗氧化、耐高温材料。

本发明所述具有复合润湿性特征的表面的制备方法，其进一步技术方案可以为，步骤（2）中对目标基体表面进行蜡烛灰沉积处理，具体要求为将基体置于距离蜡烛火焰顶点1~1.5厘米处进行蜡烛灰沉积，沉积时间30~90秒；沉积处理完成后，将基体置于空气中自然冷却，不可用吹扫装置，例如空气泵等吹扫表面。

步骤（4）中将基体和两个开口玻璃瓶放入干燥器中，保证两个玻璃瓶放置在基体两侧；在开口玻璃瓶分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器；由于正硅酸乙酯和浓氨水具有挥发性，气相正硅酸乙酯被基体表面的蜡烛灰吸附，同时在氨水的催化作用下正硅酸乙酯水解为二氧化硅颗粒，整个气相沉积过程在密闭的干燥器中进行24小时。

步骤（5）需要将基体表面的蜡烛灰煅烧掉，具体为将基体从干燥器中取出，放入加热装置中，在含有氧气的氛围下，在600-650摄氏度高温煅烧2-4小时，此时基体表面仅残留二氧化硅颗粒，蜡烛灰已被煅烧掉；所述的加热装置可以是加热炉、马弗炉和管式炉等。

步骤（6）中为了使表面具有复合润湿性特征，需要进行疏水化处理，包括以下步骤：将目标基体和一个开口玻璃瓶放入真空干燥器中，然后在开口玻璃瓶中滴入4微升的全氟辛基三氯硅烷；密闭真空干燥器，开始抽真空，在10千帕的绝压下保持20分钟；放空真空干燥器，取出基体放入烘箱中，在150摄氏度温度条件下加热45分钟；疏水化处理后的基体表面具有复合润湿性特征，具体表现为沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而光滑的区域（未沉积二氧化硅颗粒）呈现疏水性。

本发明的原理是：首先以贯通多孔材料为模板，利用沉积蜡烛灰的方法将模板的微结构印刻到目标基体表面，表现为多孔区域可以沉积上蜡烛灰，其余被遮盖区域则不能沉积上蜡烛灰；蜡烛灰是一层纳米多孔结构，但是其机械稳定性较差，需要进行进一步处理，采用化学气相沉积正硅酸乙酯法，挥发的正硅酸乙酯被基体表面沉积的蜡烛灰所吸附，其在氨水的催化作用下水解为二氧化硅颗粒，如此一来便可以在纳米多孔结构的蜡烛灰上沉积二氧化硅颗粒；为了增强纳米多孔结构的机械强度，采取煅烧基体的方法，既可以除去多余的蜡烛灰碳颗粒又能使纳米多孔结构更为致密；利用化学沉寂氟硅烷的方法可以降低表面自由能，获得具有复合润湿性特征的表面，沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而未沉积二氧化硅颗粒的光滑区域呈现疏水性。

与现有技术和制备方法相比，本发明具有如下的优点和效果：

1.操作工艺简单、成本低、和重复性好，所设计的材料和试剂容易获得，对设备的要求极低，易于大面积制备，且容易实现批量生产。

2.本方法采用廉价的贯通多孔材料为模板，可根据使用需求，设计相应的微结构，有利于增加制品的应用范围和使用价值；此外，贯通多孔材料可以重复利用，环保性好。

3.本方法制备的表面具有超疏水/疏水复合润湿性特征，能够满足不同的应用需求，同时表面的稳定性高，具有较高的耐温度性，能够反复使用。

本方法可有效制备集合不同润湿特性的表面，可应用于防尘、液滴输运、微流控、流体减阻等方面，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明制备具有复合润湿性特征的表面的过程示意图。

图2为疏水化处理前后基体表面润湿性分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法，具体步骤如下：

（1）将200目的不锈钢丝网（孔径74微米，丝径50微米）覆盖在玻璃片上，使二者相互紧贴，用夹具固定住玻璃片的外边沿部分；

（2）将覆盖有不锈钢丝网的玻璃片置于距离蜡烛火焰顶点1厘米处进行蜡烛灰沉积，沉积时间45秒，沉积处理完成后，将玻璃片置于空气中自然冷却；

（3）松开夹具，将不锈钢丝网从玻璃片上剥离；

（4）将玻璃片放入干燥器中，同时放入两个开口玻璃瓶并置于玻璃片两侧，分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器，静置24小时；

（5）将玻璃片从干燥器中取出，放入马弗炉中，在含有氧气的氛围下，在600摄氏度高温煅烧2小时，然后使其自然冷却；

（6）将玻璃片和一个开口玻璃瓶放入真空干燥器中，在开口玻璃瓶中滴入4微升的全氟辛基三氯硅烷，密闭真空干燥器并抽真空，在10千帕的绝压下保持20分钟，最后放空真空干燥器，取出玻璃片放入烘箱中，在150摄氏度温度条件下加热45分钟；疏水化处理后的基体表面具有复合润湿性特征，具体表现为沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而光滑的区域（未沉积二氧化硅颗粒）呈现疏水性。

实施例2

一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法，具体步骤如下：

（1）将200目的不锈钢丝网（孔径74微米，丝径50微米）覆盖在玻璃片上，使二者相互紧贴，用夹具固定住玻璃片的外边沿部分；

（2）将覆盖有不锈钢丝网的玻璃片置于距离蜡烛火焰顶点1厘米处进行蜡烛灰沉积，沉积时间60秒，沉积处理完成后，将玻璃片置于空气中自然冷却；

（3）松开夹具，将不锈钢丝网从玻璃片上剥离；

（4）将玻璃片放入干燥器中，同时放入两个开口玻璃瓶并置于玻璃片两侧，分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器，静置24小时；

（5）将玻璃片从干燥器中取出，放入马弗炉中，在含有氧气的氛围下，在600摄氏度高温煅烧2小时，然后使其自然冷却；

（6）将玻璃片和一个开口玻璃瓶放入真空干燥器中，在开口玻璃瓶中滴入4微升的全氟辛基三氯硅烷，密闭真空干燥器并抽真空，在10千帕的绝压下保持20分钟，最后放空真空干燥器，取出玻璃片放入烘箱中，在150摄氏度温度条件下加热45分钟；疏水化处理后的基体表面具有复合润湿性特征，具体表现为沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而光滑的区域（未沉积二氧化硅颗粒）呈现疏水性。

实施例3

一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法，具体步骤如下：

（1）将200目的不锈钢丝网（孔径74微米，丝径50微米）覆盖在玻璃片上，使二者相互紧贴，用夹具固定住玻璃片的外边沿部分；

（2）将覆盖有不锈钢丝网的玻璃片置于距离蜡烛火焰顶点1.5厘米处进行蜡烛灰沉积，沉积时间45秒，沉积处理完成后，将玻璃片置于空气中自然冷却；

（3）松开夹具，将不锈钢丝网从玻璃片上剥离；

（4）将玻璃片放入干燥器中，同时放入两个开口玻璃瓶并置于玻璃片两侧，分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器，静置24小时；

（5）将玻璃片从干燥器中取出，放入马弗炉中，在含有氧气的氛围下，在600摄氏度高温煅烧2小时，然后使其自然冷却；

（6）将玻璃片和一个开口玻璃瓶放入真空干燥器中，在开口玻璃瓶中滴入4微升的全氟辛基三氯硅烷，密闭真空干燥器并抽真空，在10千帕的绝压下保持20分钟，最后放空真空干燥器，取出玻璃片放入烘箱中，在150摄氏度温度条件下加热45分钟；疏水化处理后的基体表面具有复合润湿性特征，具体表现为沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而光滑的区域（未沉积二氧化硅颗粒）呈现疏水性。

实施例4

一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法，具体步骤如下：

（1）将100目的不锈钢丝网（孔径180微米，丝径80微米）覆盖在玻璃片上，使二者相互紧贴，用夹具固定住玻璃片的外边沿部分；

（2）将覆盖有不锈钢丝网的玻璃片置于距离蜡烛火焰顶点1厘米处进行蜡烛灰沉积，沉积时间45秒，沉积处理完成后，将玻璃片置于空气中自然冷却；

（3）松开夹具，将不锈钢丝网从玻璃片上剥离；

（4）将玻璃片放入干燥器中，同时放入两个开口玻璃瓶并置于玻璃片两侧，分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器，静置24小时；

（5）将玻璃片从干燥器中取出，放入马弗炉中，在含有氧气的氛围下，在600摄氏度高温煅烧2小时，然后使其自然冷却；

（6）将玻璃片和一个开口玻璃瓶放入真空干燥器中，在开口玻璃瓶中滴入4微升的全氟辛基三氯硅烷，密闭真空干燥器并抽真空，在10千帕的绝压下保持20分钟，最后放空真空干燥器，取出玻璃片放入烘箱中，在150摄氏度温度条件下加热45分钟；疏水化处理后的基体表面具有复合润湿性特征，具体表现为沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而光滑的区域（未沉积二氧化硅颗粒）呈现疏水性。

实施例5

一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法，具体步骤如下：

（1）将微孔板（圆孔，孔径200微米，孔间距200微米）覆盖在玻璃片上，使二者相互紧贴，用夹具固定住玻璃片的外边沿部分；

（2）将覆盖有微孔板的玻璃片置于距离蜡烛火焰顶点1厘米处进行蜡烛灰沉积，沉积时间45秒，沉积处理完成后，将玻璃片置于空气中自然冷却；

（3）松开夹具，将微孔板从玻璃片上剥离；

（4）将玻璃片放入干燥器中，同时放入两个开口玻璃瓶并置于玻璃片两侧，分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器，静置24小时；

（5）将玻璃片从干燥器中取出，放入马弗炉中，在含有氧气的氛围下，在600摄氏度高温煅烧2小时，然后使其自然冷却；

（6）将玻璃片和一个开口玻璃瓶放入真空干燥器中，在开口玻璃瓶中滴入4微升的全氟辛基三氯硅烷，密闭真空干燥器并抽真空，在10千帕的绝压下保持20分钟，最后放空真空干燥器，取出玻璃片放入烘箱中，在150摄氏度温度条件下加热45分钟；疏水化处理后的基体表面具有复合润湿性特征，具体表现为沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而光滑的区域（未沉积二氧化硅颗粒）呈现疏水性。

实施例6

一种具有复合润湿性特征的表面的制备方法，具体步骤如下：

（1）将200目的不锈钢丝网（孔径74微米，丝径50微米）覆盖在陶瓷片上，使二者相互紧贴，用夹具固定住玻璃片的外边沿部分；

（2）将覆盖有不锈钢丝网的陶瓷片置于距离蜡烛火焰顶点1厘米处进行蜡烛灰沉积，沉积时间45秒，沉积处理完成后，将陶瓷片置于空气中自然冷却；

（3）松开夹具，将不锈钢丝网从陶瓷片上剥离；

（4）将陶瓷片放入干燥器中，同时放入两个开口玻璃瓶并置于陶瓷片两侧，分别装入3毫升的正硅酸乙酯和浓氨水，密闭干燥器，静置24小时；

（5）将陶瓷片从干燥器中取出，放入马弗炉中，在含有氧气的氛围下，在600摄氏度高温煅烧2小时，然后使其自然冷却；

（6）将陶瓷片和一个开口玻璃瓶放入真空干燥器中，在开口玻璃瓶中滴入4微升的全氟辛基三氯硅烷，密闭真空干燥器并抽真空，在10千帕的绝压下保持20分钟，最后放空真空干燥器，取出陶瓷片放入烘箱中，在150摄氏度温度条件下加热45分钟；疏水化处理后的基体表面具有复合润湿性特征，具体表现为沉积有二氧化硅颗粒的区域呈现超疏水特性，而光滑的区域（未沉积二氧化硅颗粒）呈现疏水性。