一种基于溶胶-凝胶法的新型注油超滑表面的制备方法与流程

本发明属于多孔注油超滑涂层制备技术领域，特别涉及制备具有自清洁、抗结冰、抗雾等特点的适用于各种基底的涂层的方法。

背景技术：

多孔注油的超滑表面的制备是受启发于大自然中食肉型猪笼草捕捉小动物的行为。该种植物的彩色唇叶是由具有微观粗糙结构的亲水组分构成，表面极易被水润湿并储存液态水形成一层水膜，使停留在表面的小动物滑进底部的消化系统。在基体表面上构筑与猪笼草表面结构类似的粗糙结构并灌入合适的润滑油即可制备超滑表面。人工所制备的超滑表面在液体运输、抗污、抗腐蚀、抗结冰等领域具有很广阔的应用前景。

人造超滑表面通过注入有机润滑油，即可实现表面良好的疏液特性。该特性可使超滑表面免于有机污渍的污染，这可将表面应用于液体运输、食品包装等领域；该特性也赋予表面抗结冰、抗雾等特性使表面可以被长期应用在低温环境中。基于溶胶凝胶法制备的超滑表面可以很牢固的将润滑油锁在表面的粗糙结构中，提高表面的使用寿命。紫外无影胶的引入将由溶胶形成的凝胶牢牢地粘附在基体上，这不仅可以大幅度提高超滑表面的耐用性还不影响超滑表面的透光性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简便、高效的制备具有良好疏液性质的超滑表面的制备方法。利用简单易行的旋涂方法将紫外无影胶和三维网状的溶胶溶液旋涂到基体上。液滴在灌油后的表面上都具有较小的滑动角和接触角滞后，且表面具有较好的自清洁、抗结冰等特性。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于溶胶-凝胶法的新型注油超滑表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.实验前期准备：将载玻片裁剪到合适大小并在有机溶剂里面超声清洗一段时间，随后放入烘箱烘干备用；

b.溶胶制备：将一定量的四乙氧基硅烷teos、乙烯基三乙氧基硅烷vtes、全氟辛基三乙氧基硅烷pfas、二氧化硅sio2分散于一定量的正丙醇npa中，再在磁力搅拌的过程中滴加一定量的蒸馏水和醋酸溶液hac，水解反应一段时间后，即可得到溶胶溶液并保存待用；所述的四乙氧基硅烷teos、乙烯基三乙氧基硅烷vtes、全氟辛基三乙氧基硅烷pfas、二氧化硅sio2、正丙醇npa、蒸馏水和醋酸溶液hac的使用质量百分数配比为：4.5％：7.6％：3％：1.2％：30.2％：51.8％：1.7％；

c.超滑表面制备：在旋涂机上装载好洗净的载玻片并旋涂一定量的紫外无影胶、溶胶溶液并对载玻片进行紫外光照射和热处理，随后，将一定量的全氟聚醚灌入到所制备的含有凝胶的载玻片上，即可得到超滑表面。

进一步的，所述载玻片长和宽的大小为25×20cm。

进一步的，所述水解反应形成溶胶的反应时间为12h。

进一步的，所述旋涂时紫外无影胶和溶胶溶液的用量都为1ml。

进一步的，所述紫外光照射处理时间为5min。

进一步的，所述热处理温度和时间分别为：100℃，30min。

进一步的，所述方法还包括步骤d.疏液性能测试：将所制备的超滑表面置于接触角测试仪上，分别滴加一定体积的各种液滴以测定各种液态物质的接触角和滑动角，另外，将不同的污渍液滴滴到表面上并记录分析表面的自清洁过程；用于测试超滑表面疏液特性的各种滴液包括：蒸馏水、乙二醇、二甲基亚砜、甲苯、氯甲苯、异辛烷中的一种或几种。

进一步的，所述方法还包括步骤d：磁驱动的磁性粒子表面除污实验：将由乙二醇分散四氧化三铁而形成的磁性液滴滴加到超滑表面上，并随机洒一些石墨粉末到表面上，然后在外加磁场的驱动下磁性液滴在表面自由移动的过程中将石墨粉末包裹在液滴里面，达到清洁表面的目的。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.制备方法简单、易行。

2.制备的超滑表面具有较好的疏液特性。

3.制备的溶胶适用于各种干净基体。

4.表面机械强度大，附着力强，使用寿命长。

5.超滑表面同时兼具抗污、抗结冰、抗雾特性。

附图说明

图1为本发明实施例1中所得溶胶的傅里叶变换红外光谱(a)和x射线光电子能谱(b)。

图2为本发明实施例1中所得疏水表面电镜图和注油前后表面的原子粒显微镜图，(a)为放大10000倍和1000倍电镜图，(b)为注油之前表面三维形貌图，(c)为注油之后表面的三维形貌图。

图3为本发明实施例1中水滴在注油前后的载玻片表面上的接触角，(a)水滴在纯玻璃上接触角，(b)水滴在旋涂有溶胶表面的接触角，(c)水滴在超滑表面的接触角，(d)水滴在超滑斜表面上的前进角和后退角。

图4为本发明实施例1中各种有机物在超滑表面的接触角和滚动角，(a)各种液滴在超滑表面的接触角和滑动角柱状图，(b)各种液滴在超滑表面的接触角。

图5为本发明实施例2中超滑表面的自清洁实物图，(a)注油表面和未注油表面分别垂直浸入到牛奶溶液1-60次后表面自清洁图，(b)在倾斜角为3°的超滑表面上牛奶液滴的滑动图，(c)注油表面和未注油表面分别垂直浸入到蜂蜜、咖啡、番茄汁溶液中的自清洁对比图。

图6为本发明实施例3中磁性液滴在外界磁场驱动下自行移除超滑表面污渍的实物图。

图7为本发明实施例4中表面在-10℃低温下抗结冰的实物图，(a)水滴在注油表面和未注油表面的结冰实物图，(b)注油表面和未注油表面结冰延迟时间的柱状图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

实施例1

(1).实验前期准备：

将载玻片裁剪到25×20cm大小并在乙醇和丙酮混合液里面超声清洗一段时间，随后放入烘箱烘干备用。

(2).溶胶制备：

将2.25g四乙氧基硅烷(teos)，3.8g乙烯基三乙氧基硅烷(vtes),1.5g全氟辛基三乙氧基硅烷(pfas)，0.6g二氧化硅(sio2)分散于15.1g正丙醇(npa)中，再在磁力搅拌的过程中滴加25.9g蒸馏水和0.85g醋酸溶液(hac)。水解反应12h后，即可得到溶胶溶液并保存待用。

(3).超滑表面制备：

在旋涂机上装载好洗净的载玻片并旋涂1ml紫外无影胶、1ml溶胶溶液并对载玻片进行紫外光照射5min和100℃热处理30min。随后，将6μl的全氟聚醚灌入到所制备的含有凝胶的载玻片上，即可得到超滑表面。

(4).疏液性能：

将所制备的超滑表面置于接触角测试仪上，分别滴加5μl的蒸馏水、乙二醇、二甲基亚砜、甲苯、氯甲苯、异辛烷，测定各种液滴的接触角和滑动角。如图3所示水滴在纯玻璃表面，疏水表面，超滑表面的接触角分别为35±1°，123±1°，112±1°，水滴在倾斜角为3°的超滑表面上的前进角和后退角分别为112±1°和109±1°。乙二醇、二甲基亚砜、甲苯、氯甲苯、异辛烷在超滑表面的接触角和滚动角如图4所示。各种液滴在倾斜的超滑表面都可以自由滑落，但由于有机液滴与表面润滑油极性的差异不一样，所以有机液滴在表面接触角和滑动角存在一定的差异。

实施例2

(1).实验前期准备：

将载玻片裁剪到25×20cm大小并在乙醇和丙酮混合液里面超声清洗一段时间，随后放入烘箱烘干备用。

(2).溶胶制备：

将2.25g四乙氧基硅烷(teos)，3.8g乙烯基三乙氧基硅烷(vtes),1.5g全氟辛基三乙氧基硅烷(pfas)，0.6g二氧化硅(sio2)分散于15.1g正丙醇(npa)中，再在磁力搅拌的过程中滴加25.9g蒸馏水和0.85g醋酸溶液(hac)。水解反应12h后，即可得到溶胶溶液并保存待用。

(3).超滑表面制备：

在旋涂机上装载好洗净的载玻片并旋涂1ml紫外无影胶、1ml溶胶溶液并对载玻片进行紫外光照射5min和100℃热处理30min。随后，将6μl的全氟聚醚灌入到所制备的含有凝胶的载玻片上，即可得到超滑表面。

(4).超滑表面自清洁实验：

注油表面和未注油表面分别垂直浸入到牛奶溶液中1-60次并观察表面的自清洁能力；在倾斜角为3°的超滑表面上滴加5μl牛奶液滴并观察液滴的滑动情况；注油表面和未注油表面分别垂直浸入到蜂蜜、咖啡、番茄汁溶液中并观察表面自清洁情况。如图5a所示，与纯玻璃相比，超滑表面在浸入到牛奶中60次后都可以保持清洁的表面。该超滑表面垂直浸入到蜂蜜、番茄酱、咖啡中依旧能够发挥疏液的性能(5b)。当把表面倾斜3°放置时5μl的牛奶液滴依旧可以从表面自由滑落(5c)。

实施例3

(1).实验前期准备：

将载玻片裁剪到25×20cm大小并在乙醇和丙酮混合液里面超声清洗一段时间，随后放入烘箱烘干备用。

(2).溶胶制备：

将2.25g四乙氧基硅烷(teos)，3.8g乙烯基三乙氧基硅烷(vtes),1.5g全氟辛基三乙氧基硅烷(pfas)，0.6g二氧化硅(sio2)分散于15.1g正丙醇(npa)中，再在磁力搅拌的过程中滴加25.9g蒸馏水和0.85g醋酸溶液(hac)。水解反应12h后，即可得到溶胶溶液并保存待用。

(3).超滑表面制备：

在旋涂机上装载好洗净的载玻片并旋涂1ml紫外无影胶、1ml溶胶溶液并对载玻片进行紫外光照射5min和100℃热处理30min。随后，将6μl的全氟聚醚灌入到所制备的含有凝胶的载玻片上，即可得到超滑表面。

(4).磁驱动的磁性粒子表面除污实验：

将10μl由乙二醇分散四氧化三铁而形成的磁性液滴滴加到超滑表面上，并随机洒一些石墨粉末到表面上，然后在外加磁场的驱动下磁性液滴在表面自由移动的过程中将石墨粉末包裹在液滴里面，达到清洁表面的目的。实验结果如图6所示，磁性液滴在外加磁场的驱动下可以在表面自由来回的移动，并在移动的过程中将表面的石墨污渍包裹在液滴里面，整个清洁过程在31s内即可完成。

实施例4

(1).实验前期准备：

将载玻片裁剪到25×20cm大小并在乙醇和丙酮混合液里面超声清洗一段时间，随后放入烘箱烘干备用。

(2).溶胶制备：

将2.25g四乙氧基硅烷(teos)，3.8g乙烯基三乙氧基硅烷(vtes),1.5g全氟辛基三乙氧基硅烷(pfas)，0.6g二氧化硅(sio2)分散于15.1g正丙醇(npa)中，再在磁力搅拌的过程中滴加25.9g蒸馏水和0.85g醋酸溶液(hac)。水解反应12h后，即可得到溶胶溶液并保存待用。

(3).超滑表面制备：

在旋涂机上装载好洗净的载玻片并旋涂1ml紫外无影胶、1ml溶胶溶液并对载玻片进行紫外光照射5min和100℃热处理30min。随后，将6μl的全氟聚醚灌入到所制备的含有凝胶的载玻片上，即可得到超滑表面。

(4).超滑表面抗结冰实验：

将滴有10μl水滴的未注油表面和超滑表面放入-10℃的环境中并在不同时间段拍摄液滴的冻结图。疏水表面和超滑表面的抗结冰性能如图7所示，为结冰时水滴在两表面上均呈现为无色透明的状态，完全结冰的液滴呈现为乳白色的状态。疏水表面的水滴在605s时就会全部结冰，而超滑表面的液滴则可延迟结冰到1220s。

本发明包括在载玻片上旋涂由硅烷和二氧化硅形成的溶胶以构筑网状结构覆盖的多孔粗糙表面，再滴加全氟聚醚，制备出具有疏液性质的超滑表面。该超滑表面表现出优良的疏液性质，水滴和各种有机物液滴在表面上都具有极小的滑动角和接触角滞后。另外在表面上滴加的磁性液滴在外加磁场驱动下可以在自由移动的过程中清理散落在表面的污渍。该表面在疏液的过程中除可实现表面的自清洁外还具有良好的抗结冰、抗雾、高透明度等特点。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。