本发明涉及分子刷接枝的各向异性界面材料，具体涉及一种分子刷接枝的自清洁材料及其制备方法与应用。
背景技术：
：近年来，分子刷接枝的新型滑动性界面(angew,2016,128(1)：252-256.)，成为新的研究热点，该界面具有耐高温、稳定性强、对广泛的不同表面张力值的液体都具有优异的滑动性的优势。同时，自然界为人们设计创新型的先进材料提供了新的方法和途径，近年来人们通过对猪笼草、水稻叶、蝴蝶翅膀等的观察研究，发展了各向异性界面，这种界面在微流控设备、芯片实验室、微反应器、减阻防污、自清洁等领域表现出了巨大的应用前景。通常采用的制备各向异性的方法是激光、复型、光刻、电镀等方法，往往存在需借助特定的设备或各向异性调节范围不够理想等缺点，限制了其广泛应用。为实现更简单可控的各向异性界面的制备，亟需开发出新的方法。目前报道的各向异性界面，大多是通过结构设计、化学处理或与液体注入式超润滑界面相结合实现滑动性，新一代分子刷接枝的各向异性界面基本没有人报道。针对上述两个问题，因此本发明提出了采用具有不同粒径大小的金刚砂砂纸对硅片进行恒负载定向打磨制备各向异性界面，采用最新的分子刷接枝技术产生滑动界面，以实现制作方法更简捷、有较大的各向异性调节范围、稳定性强、可广泛适用于各种表面张力的液体的滑动等优点，使其更好地应用于微流控设备、减阻防污、自清洁等领域。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种分子刷接枝的自清洁材料，本发明将各向异性界面与分子刷接枝相结合，所述的自清洁材料与传统各向异性界面相比，具有稳定性强等特点，适用于各种表面张力的液体的滑动。所述自清洁材料以硅片材料为基材，所述基材至少一个表面接枝了厚度为4.0～4.5nm的聚二甲基硅氧烷分子刷；所述基材的表面均匀分布了宽度为0.1～35μm，高度为5～60nm的沟槽，所述聚二甲基硅氧烷分子刷接枝在所述基材的表面。即所述聚二基硅氧烷分子刷会接枝在沟槽内，也会接枝在沟槽间的孔隙中。优选地，所述硅片材料的尺寸可根据实际应用进行选择；优选地，所述硅片材料的长*宽为1～5cm*1～5cm，更优选采用长*宽＝2cm*2cm。本发明进一步提出的，所述沟槽的宽度为15～35μm，高度为29～60nm；最优选的所述沟槽的宽度为13～17μm、高度为40～50nm。本发明进一步提出的，相邻所述沟槽的间距为0.1～35μm，优选为15～35μm；更优选为15μm。优选地，所述聚二甲基硅氧烷分子刷的厚度为4.3±0.1nm。本发明所述自清洁材料，在空气中，沿平行方向的水滴的接触角值范围从104.8°～105.8°，沿垂直方向的水滴接触角为107.4°～123.0°，呈疏水状态；沿平行方向的滑动角范围从15°～18°(以5μl水滴为例测试液滴的滑动角)。其中，当所述沟槽的宽度为13～17μm时，所获得自清洁材料，在空气中，它沿平行方向的水接触角为105.8±2.1°，沿垂直方向的水接触角为123.0±2.6°，呈疏水状态；其沿平行方向的滑动角为15±1.9°，沿垂直方向的滑动角为79±2.8°，具有优异的各向异性。对其他表面张力较小的液滴也同样具有滑动各向异性，因而能够选用不同的液滴对不同污染物进行各向异性自清洁。当所述沟槽的宽度为13～17μm时，所获得的自清洁材料，在水下，沿平行方向与空气的接触角为78.3±2.5°，沿垂直方向与空气的接触角为89.7±3.2°；其沿平行方向的滑动角为17±3.2°(以5μl气泡为例测试空气的滑动角)，沿垂直方向的滑动角为30±2.9°，具有较好的水下稳定性。本发明进一步提出的，所述聚二甲基硅氧烷采用如下方式制得：将异丙醇、二甲基二甲氧基硅烷和浓度为98％硫酸水溶液按100:10:1的质量比混合后，放置2～60h；优选地，将异丙醇、二甲基二甲氧基硅烷和浓度为98％硫酸水溶液按100:10:1的质量比混合后，放置48h。本发明的第二个目的在于提供上述自清洁材料的制备方法，包括以下步骤：1)采用磨料对硅片材料进行定向打磨，得到具有定向沟槽的硅片；2)将异丙醇、二甲基二甲氧基硅烷和浓度为98％硫酸水溶液按100:10:1的质量比混合后，放置2～60h后，得到聚二甲基硅氧烷溶液；3)将步骤1)打磨后的硅片浸入步骤2)制得的聚二甲基硅氧烷溶液中5～10s，干燥，即得。优选地，所述接枝的时间为7s。优选地，所述磨料为金刚砂砂纸。本发明进一步提出的，所述打磨具体采用粒径为0.1～35μm的磨料在压力为100～700g的恒负载条件下进行。优选地，所述磨料的粒径为15～35μm，所述恒负载的压力为250～350g，更优选的，所述磨料的粒径为15μm，所述恒负载的压力为300g。本发明采用金刚砂砂纸对硅片进行恒负载定向打磨的方式，从而提供一种更简捷、有较大的各向异性调节范围的制备自清洁材料的方法；克服传统制作各向异性界面方法的缺点，如激光、光刻、电镀等需借助特定的设备；或各向异性可调节的范围较小。本发明进一步提出的，所述制备方法还包括干燥，和/或清洁；优选地，所述干燥具体为：在湿度为60％～70％、温度为20～25℃的条件下，干燥3～8min。所述聚二基硅氧烷分子刷对湿度和温度的要求比较严格，不适宜的温度和湿度会造成滑动效果不好。因此，最优选采用湿度为65％、温度为21℃的条件，干燥5min，获得滑动效果最佳。所述清洁具体为：分别采用水、异丙醇、甲苯进行冲洗，即可。本发明提供一种优选方案，所述自清洁材料的制备方法包括以下步骤：1)采用粒径为15μm的磨料在恒负载的压力为300g的条件下，对硅片材料进行定向打磨，得到具有定向沟槽的硅片；2)将异丙醇、二甲基二甲氧基硅烷和浓度为98％硫酸水溶液按100:10:1的质量比混合后，放置2～60h后，得到聚二甲基硅氧烷溶液；3)将步骤1)打磨后的硅片浸入步骤2)制得的聚二甲基硅氧烷溶液中7s，干燥，清洁，即得；本发明的第三个目的在于提供上述自清洁材料对各种广泛的液滴如甘油、甲酰胺、甲酸、甲苯等及水、气泡都具有优异的各向异滑动性、在空气中能实现各向异性自清洁，水下稳定性强。尤其是，在表面自清洁、液滴方向性运输等领域。本发明所述的自清洁材料对各种表面张力值的油滴都具有很好的各向异性滑动效果；可以根据污染物的不同选用不同的液滴在界面上进行各向异性自清洁。污染物为沙土时，可采用水、甘油、甲酰胺、二甲基亚砜(dmso)等进行清洁；污染物为罗丹明b时，可采用甘油、甲酰胺、dmso等进行清洁；污染物为石墨时，可采用dmso、甲酸进行清洁；附图说明图1为实施例2步骤1)打磨后的硅片的sem扫描电镜图；图2为实施例2～7制得的自清洁材料在平行和垂直方向上对水滴的接触角、滑动角变化图；图3为实施例2所述自清洁材料在表面张力从72.8～28.4mnm-1范围变化的液滴的滑动特征对比图；图4为实施例2所述自清洁材料在平行和垂直方向上对水下不同体积的空气的滑动角变化图。图5为实施例2所述自清洁材料在垂直和平行两个方向上的各向异性自清洁对比图；具体实施方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如下实施例中所采用的硅片尺寸为2cm*2cm。实施例1本实施例提供一种分子刷接枝的自清洁材料，以硅片为基材，所述基材至少一个表面接枝厚度为4.3±0.1nm的聚二甲基硅氧烷分子刷；所述硅片的表面均匀分布了宽度为13～17μm，高度为42nm的沟槽，相邻所述沟槽的间隔为15μm，所述聚二甲基硅氧烷分子刷接枝在所述硅片的表面。实施例2本实施例提供实施例1所述自清洁材料的制备方法，包括如下步骤：1)采用粒径为15μm的金刚砂砂纸在300g的恒负载条件下对硅片进行定向打磨，得到具有定向沟槽的硅片；(如图1所示)2)将异丙醇、二甲基二甲氧基硅烷和浓度为98％硫酸水溶液按100:10:1的质量比混合后，放置48h后，得到聚二甲基硅氧烷溶液；3)将步骤1)打磨后的硅片浸入步骤2)制得的聚二甲基硅氧烷溶液中7s，干燥，分别用水、异丙醇、甲苯进行冲洗，即得。实施例3～7本实施例提供一种分子刷接枝的自清洁材料的制备方法，与实施例2的区别仅在于金刚砂砂纸的粒径替换为0.1μm、1μm、3μm、9μm和30μm。对比例1本对比例提供一种自清洁材料，与实施例1的区别仅在于，将聚二甲基硅氧烷分子刷的厚度为4.3±0.1nm替换为2～2.5nm。对比例2本对比例提供一种自清洁材料，与实施例1的区别仅在于，将聚二甲基硅氧烷分子刷的厚度为4.3±0.1nm替换为6.5～7.5nm。测试例11、在空气中，采接触角测量仪测试实施例2～7制得自清洁材料和对比例1～2所述的自清洁材料在平行方向和垂直方向上测试水滴的接触角、滑动角；以5μl水滴为例测试液滴的滑动角，结果如下：表1如图2所示，随着磨料的粒径的增大，所制得自清洁界面在水平方向的滑动角基本不变，在垂直方向上的滑动角却明显增加。当磨料的粒径为15μm时(实施例2所制得的自清洁材料)取得最大的滑动各向异性：沿着平行方向的滑动角15.0°±1.9°，沿着垂直方向滑动角79.0°±2.8°。对比例1和对比例3，接枝链过短或过长，都会使两个方向的滑动角变大，滑动性变差。2、测试实施例2所述的自清洁材料对各种不同表面张力的液滴在平行方向和垂直方向上的滑动角，结果如下：表2如图3所示，测试随各种不同的液滴表面张力的减小，在平行和垂直两个方向上的滑动角会随之减小，两个方向上的滑动角差异也在减小。3、在水中，测试实施例1所述自清洁材料的不同体积的气泡在平行和垂直方向上的滑动角，结果如下：表3气泡体积(μl)平行方向滑动角值(°)垂直方向滑动角值(°)425.2±2.945.0±3.7720.4±3.138.3±3.31017.8±3.230.1±2.91514.2±2.523.7±3.12011.3±2.316.7±2.6308.5±2.89.1±2.0如图4所示，对于10μl的气泡，测其平行和垂直方向的滑动角分别为17.8±3.2°和30.1±2.9°，随着气泡体积的增加这两个方向上的滑动角差异变小。测试例2将实施例1所述的自清洁材料进行清洁测试；将亲水性沙土涂抹在所述自清洁材料的表面一处，滴上水滴在亲水性沙土旁边，将所述自清洁材料倾斜一定角度(15°)，使其水滴通过亲水性沙土；平行多次实验。如图5所示，上方为未倾斜的自清洁材料，下方为倾斜后；由图可知，水滴对亲水性沙土在垂直和平行两个方向上的各向异性自清洁。虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页12