表面疏水金属框架材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种疏水材料，具体地，涉及一种表面疏水金属框架材料及 其制备方法。


背景技术：

2.人们很早就对自然界的超疏水现象产生了浓厚兴趣，中国古代的诗人就 曾赞叹荷花：出淤泥而不染，这可能是最早把超疏水现象特有的自清洁功能 和人类美好品质的作比拟的思考了。超疏水现象是指接触角大于150度、滚 动角小于10度，这在自然界并不罕见，植物的叶如荷叶、动物的器官如水 黾的腿都是超疏水表面，然而一直等到扫描电子显微镜的出现，人们观察才 到它们表面的微-纳米结构，才真正开始探索这种现象的机理。今天，超疏 水材料的研究告诉我们构建疏水表面必需的两个必要条件：具有一定粗糙度 的微纳米结构和低的表面能。
3.但极其脆弱的微-纳米结构也限制着超疏水表面的使用。现在已经有了 解决思路，邓旭团队在《自然》杂志以封面文章形式发表了其最新科研成果， 通过给超疏水表面穿上具有优良机械稳定性的微结构“铠甲”的方式以期解 决其机械稳定性不足的问题。这种思路的最大亮点就在于微结构的设计，采 用去耦合机制而将表面润湿性和机械稳定性拆分为两种不同结构尺度，使不 可得兼的性能拆开，以达到“分工合作”的设计目的。但现在可相互连接的 表面框架微观结构的制造尚只能通过光刻、印压等高精度的技术，这意味着 耐磨超疏水表面还不能得到大规模推广的机会。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出了一种简单易行、无需高精设备的方法，以 规则、可相互连接且坚固耐磨的金属网作为保护框架，达到制备具有优秀机 械稳定性的超疏水表面的目的。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种表面疏水金属框架材料的制备方 法，该方法包括如下步骤：
6.s1、将金属网结合在板材的表面形成金属框架；
7.s2、在步骤s1制得的所述金属框架中填入疏水涂料得到所述表面疏水 金属框架材料。
8.本发明将金属网结合在板材的表面形成规则可连接、坚固耐磨的保护框 架，每个网孔都能给予疏水材料有效的支撑，从而减少疏水材料的磨损，延 长材料的使用寿命。并且该方法简单易行、无需高精设备，适于大规模推广。
9.具体地，步骤s1中，所述金属网与所述板材可以采用胶粘等方式紧固 连接，但为了保证金属框架结构的稳定性，本发明采用如下方法：将所述金 属网置于板材上并施加压力，在保护气氛中，经梯度升温至所述金属网与所 述板材两者中软化点或熔点较低的温度，使之紧密结合，然后自然冷却即可。
10.上述技术方案中，通过升温软化的方式使金属网与板材牢固结合于一 体，大大提升了其抗冲击性能，达到制备具有优秀机械稳定性的超疏水表面 的目的。
11.而梯度升温一方面可以保证保温设备的安全性，另一方面，可以提升升 温的均匀性，保证材料使用性能的温度。
12.进一步具体地，所述金属网与所述板材的结合过程中施加的压力为 20～80n。
13.上述技术方案中，施加合适的压力既可以使金属网与板材结合牢固，又 可以防止变形严重影响网孔结构对疏水材料的支撑作用。
14.步骤s2中，所述疏水涂料的制备方法为：按质量份计，将8～20份纳米 二氧化硅，加入55～72份的稀释剂中，搅拌至分散均匀，再加入20～25份聚 四氟乙烯，搅拌10～20分钟，超声分散20～40分钟即得。
15.稀释剂为乙醇、乙酸乙酯、丙酮中的一种。
16.上述技术方案中，聚四氟乙烯同时具有降低表面能和作为树脂固定粒子 的作用，纳米二氧化硅为构造微纳米结构的物质，用于提高粗糙度。
17.步骤s2中，采用喷涂、刮涂或涂覆方式将所述疏水涂料填入所述金属 框架之中，保温固化即得到所述表面疏水金属框架材料。
18.上述技术方案中，采用喷涂、刮涂或涂覆方式使得疏水涂料在金属框架 中和表面上形成一定的厚度，以起到良好的疏水作用。
19.具体地，所述保温固化条件为：在200～260℃下固化1～3小时。
20.所述金属网选用抗冲击能力较强的材料，优选为铜网、铝网、镍网、铁 网、钛网或者其合金网等；
21.所述板材为塑料板材、金属板材或者玻璃板材。
22.所述金属网的目数为50～250目。网孔形状为矩形、六边形等。
23.上述技术方案中，选用50～250目的金属网，一方面具有合适的空间容 纳足够多的疏水材料，以保证框架材料的疏水性；另一方面，可以保障框架 材料的机械稳定性。以调节润湿性(以接触角和滚动角表征润湿性，由于金 属网是亲水的，选用目数大的金属网则保护框架的占比大，有利于机械稳定 性的提升，但疏水性下降；而选用目数小的金属网则疏水部分占比大，有利 于疏水性的提高，但机械稳定性下降)与耐磨性得到最优组合。
24.所述金属网的厚度为0.11-0.22mm，所述疏水涂料与金属网网的高度齐 平。
25.本发明另一发明提供一种表面疏水金属框架材料，该材料由上述的方法 制得。
26.通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：
27.1、本发明采用将金属网与板材结合的方式制备金属框架作为疏水材料 的基材，给予疏水材料有效的支撑，从而减少疏水材料的磨损，延长材料的 使用寿命；且框架材料微结构的形状和孔径可以通过选用不同的金属网而改 变，无需高精度的制造技术及设备，成本低，适于大规模推广。
28.2、该疏水表面除了具有优秀的耐磨性能，疏水结构能阻止水在材料表 面铺展，从而减少酸碱中的h
+
、oh-离子及其他腐蚀性离子接触金属材料的 机会，即使在高温环境和强酸强碱环境中较长时间使用，疏水性能也不发生 较大改变，可以在各种应用场景中使用。
29.3、在本发明的一个优选实施方式中，仅通过升温的方式便能获得规则、 坚固耐磨、规则可连接的保护框架，简化生产工艺，降低生产成本。
附图说明
30.图1是实施例1金属框架保护的耐磨疏水表面在200℃环境中，水接触 角随时间的变化；
31.图2是分别放置了实施例1中金属框架保护的耐磨疏水表面、纯铜基框 架和空白的绿藻溶液中的绿藻干重随时间的变化；
32.图3是不同目数金属网制备的金属框架保护的耐磨疏水表面在800目的 砂纸上，承受1.73kpa的压力，其水接触角和滚动角随摩擦移动距离的变化；
33.图4是不同金属网和板材制成超疏水表面的接触角和滚动角大小示意；
34.图5是不同疏水涂料制成超疏水表面的接触角和滚动角大小示意。
35.具体实施方式
36.以下结合实施例对本发明作进一步说明，应当理解的是，此处所描述的 具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制发明。
37.实施例1
38.将120目铜网紧密铺平在铜片上并给予5kpa的压力。在保护气氛中， 经梯度升温至1020℃(具体为：30min内从室温升温至200℃；30min内从 200℃升温至400℃；40min内从400℃升温至600℃；50min内从600℃升 温至800℃；60min内从800℃升温至1020℃)，保持1h使之紧密结合，然 后待其自然冷却即得到能提供保护的金属框架。疏水涂料的配制：按质量份 计，取8份纳米二氧化硅，加入70份的稀释剂中，搅拌至分散均匀，再加 入25份聚四氟乙烯，搅拌10分钟，超声分散30分钟形成均匀的具有一定 粘度的液体。采用喷涂的方式将疏水涂料填入铜网微结构框架中至与各目数 金属网高度齐平，并置于240℃下保持2h。
39.图1为制备的金属框架保护的耐磨疏水表面在200℃环境中，水接触角 随时间的变化，从图中可以看出：该表面具有优秀的耐高温能力，可以适用 于一般的高温使用场景。
40.图2为分别放置了实施例1中金属框架保护的耐磨疏水表面、纯铜基框 架和空白的绿藻溶液中的绿藻干重随时间的变化，从图2中可以看出：在经 过108小时后，未放置任何样品的纯绿藻溶液中干重最大，浸泡表面疏水金 属框架材料的溶液次之，浸泡金属框架材料最小，说明金属框架材料经疏水 化处理后抗绿藻粘附的能力提升，溶液中绿藻干重大而材料表面绿藻粘附量 少。
41.实施例2
42.其他条件同实施例1，检验使用0目、50目、150目、250目铜网对框 架材料性能的影响。具体方法为：将金属框架保护的耐磨疏水表面在800目 的砂纸上，承受1.73kpa的压力，观测其水接触角和滚动角随摩擦移动距离 的变化，实验结果见图3。从图3中可以看出：在摩擦循环达到15次，即摩 擦距离为15m时，有铜网保护框架的超疏水表面的接触角下降较无铜网保 护框架少，且120目铜网作为保护框架时下降最少，说明其优秀的耐磨能力。
43.实施例3
44.其他条件同实施例1，检验采用不同金属网和板材制成超疏水表面的接 触角和滚动角大小，结果如图4所示。从图4中可以看出：没有金属网保护 的涂层接触角下降幅度最大，无法满足使用需求，而在各类金属保护框架中， 钛网-铜板的耐磨性最好。
45.表1不同金属网和板材制备表面疏水金属框架材料
[0046][0047][0048]
实施例4
[0049]
其他条件同实施例1，检验采用不同配方疏水涂料制成超疏水表面的接 触角和滚动角大小，结果如图5所示。从图5中可以看出：随着二氧化硅粒 子的份数占比增大，耐磨表面的水接触角逐渐上升。
[0050]
表2不同疏水涂料制备表面疏水金属框架材料
[0051][0052]
以上结合实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不 限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发 明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0053]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0054]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。