专利名称：主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的制备方法
技术领域：
本发明涉及了一种制备主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的方法。
背景技术：
目前人工超疏水表面多是从荷叶表面微结构获得灵感而研制的，尽管制备方法多 样，但其抗水压能力一直不尽人意一旦水滴的动能(由水流速度决定)超过了其表面能， 乳突或尖刺结构即能刺破水滴，使超疏水性能丧失。在应用于流体减阻时，这样的微粗糙结 构中窝藏的空气很容易被湍流引起的界面强摩擦赶出，从而丧失减阻性能。要想获得对水 压永久稳定即对水流持续减阻的超疏水表面，有必要设计一种全新，完全不同于荷叶表面 微结构的新型表面结构，实现主动超疏水，用于水面甚至水下航行器的减阻降噪。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、工艺简单，易于大规模生产主动、耐 水流冲击、非荷叶型超疏水表面的方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的制备方法，通过主动引入气流，使 疏水化处理的含孔表面形成耐水流冲击的新型超疏水表面，具体包括以下步骤(1)将贯通多孔材料做疏水化处理，将贯通多孔材料的孔表面和最外层表面改性 成与水的接触角大于90°的表面；所述贯通多孔材料的孔径大小和间隔分别在2-500 μ m ；(2)在表面疏水的贯通多孔材料一侧通空气或氮气，则在贯通多孔材料的另外一 侧得到主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面。进一步，本发明所述的贯通多孔材料为金属筛网(如不锈钢筛网)、聚合物筛网、 不锈钢烧结纤维毡、玻纤布、泡沫金属(如不锈钢粉末烧结片)。进一步，所述的疏水化处理可采用现有方法，采用低表面能物质(甲基硅烷、含氟 硅烷、聚烯烃、含氟聚合物等)，用界面反应、喷涂、浸塑等方式处理贯通多孔材料。本领域技 术人员可以根据贯通多孔材料的材质自行选择合适的疏水化处理方法。具体的，比如对金 属筛网，可用聚四氟乙烯(PTFE)进行疏水化处理，即将金属筛网浸在PTFE微粉(颗粒直径 约0. 05-0. 5 μ m)悬浮液中0. 5 20分钟，然后取出干燥(优选先在150 250°C烘箱中干 燥10 30min，再在280 320°C烘箱中干燥1 5min)，即可将金属筛网的孔表面和最外 层表面改性成与水的接触角大于90°的表面。又比如对不锈钢烧结纤维毡、玻纤布以及泡 沫金属等含非单层孔的材料，可采用如下方法进行疏水化处理将含非单层孔的材料浸在 质量浓度为1 5%的二氯甲基硅烷的氯仿溶液中10 30分钟，取出自然凉干，即可将含 非单层孔材料的孔表面和最外层表面改性成与水的接触角大于90°的表面。进一步，本发明优选所述贯通多孔材料的孔径大小和间隔均为20-100 μ m。进一步，本发明推荐步骤(2)所述的在表面疏水的贯通多孔材料的一侧通空气或 氮气，一般而言，只要在一侧持续鼓风，另一侧即能得到主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面。氮气或空气的鼓气流量在0. Ol-lOOL/s · cm2，优选0. 1-lL/s · cm2。所述的“cm2”为 贯通多孔材料的面积单位。考虑到具体的应用场合，可以采用如下方法通入空气或氮气将表面疏水的贯通 多孔材料蒙或盖在一个底部(或上部)有通风口的半封闭空间上，形成封闭空间，然后从底 部(或上部)通入氮气或空气。本发明中，所述的在另外一侧得到超疏水表面是指由于持续通风，加上多孔材料 表面的疏水特性，水滴难以在这种表面黏附铺展，呈完全超疏水状态，即不仅具有150°以 上的接触角，还具有10°以下的滚动角。本发明中，所述的主动超疏水是指超疏水表面不再靠被动窝藏空气实现超疏水， 而是靠主动鼓泡来实现表面对水的超疏或排斥。本发明中，所述的耐水冲击是指相比荷叶和仿荷叶人工超疏水表面，所制表面具 有很高的耐水流冲击能力。具体依鼓气流量和网孔大小而定。本发明中，所述的非荷叶型是指所制表面为网孔、交织纤维形成的孔以及泡孔等 结构，而非荷叶表面的微纳乳突结构。本发明可采用扫描电镜(SEM)来观察所得表面的微观形貌；用接触角测量仪测量 所得表面的水接触角(包括静态接触角和滚动角)；用高速摄像机拍摄水流在表面上的弹 跳行为，借此判断该超疏水表面的耐水流冲击能力。本发明表面的超疏水性及耐水流冲击能力可由多孔材料的孔径大小、间隔、疏水 处理程度以及鼓气流量等因素来决定。本发明制得的新型超疏水表面可在水面航行器减阻领域获得重要应用。与现有技术相比，本发明方法操作工艺简单、成本低、环保性和重复性好，且易于 大面积制备，所得非荷叶型表面能实现主动超疏水，并具有耐水流冲击、耐固液边界层摩 擦、耐静压渗透等持久超疏水性能，可望用于水面航行器的减阻，具有重要工程应用价值。
图1是150目不锈钢筛网用PTFE疏水化处理后SEM照片及接触角；图2是500目不锈钢筛网用PTFE疏水化处理后SEM照片及接触角；图3是等效孔径为1200目的不锈钢烧结纤维毡用二氯甲基硅烷疏水化处理后的 SEM照片及相应接触角；图4是不锈钢粉末烧结片数码照片；图5是在4. 5L/s鼓气量下，水流冲击到未疏水处理的500目不锈钢筛网上的瞬间 截图，水滴在筛网表面形成沾湿，未显示弹跳，故不具有超疏水性能；图6是在1. 5L/s鼓气量下，水流冲击到PTFE处理的500目不锈钢筛网上的瞬间 截图，图中浅色阴影部分显示水滴弹跳和滚动行为，右边清晰水滴呈球形。证明筛网表面具 备主动超疏水性能；图7是在3L/s鼓气量下，水流冲击到PTFE处理的500目不锈钢筛网上的瞬间截 图，图中浅色阴影部分显示水滴弹跳和滚动行为，中间清晰大水滴及众多小水滴呈球形。证 明筛网表面具备主动超疏水性能；图8是在4. 5L/s鼓气量下，水流冲击到PTFE处理的500目不锈钢筛网上的瞬间截图，图中浅色阴影部分显示水滴弹跳和滚动行为，中间大水滴呈椭球形，右边小水滴呈球 形。证明筛网表面具备主动超疏水性能；图9是在3L/s鼓气量下，水流冲击到疏水处理的不锈钢纤维毡上的瞬间截图，图 中浅色阴影部分显示水滴弹跳和滚动行为，中间清晰水滴呈球形。证明纤维毡表面具备主动超疏水性能；图10是以不锈钢筛网为模板，通过热压_拉伸微模塑工艺制得的被动、仿荷叶型 超疏水表面；
具体实施例方式以下实例进一步说明本发明，但这些实例并不用来限制本发明。实施例1将未用PTFE疏水化处理500目不锈钢筛网剪成直径约4cm的圆片，将其固定在一 抽滤瓶口上(图5)，然后在真空抽口处通入4. 5L/s的N2流，用聚乙烯塑料水瓶(500mL，出 水口径Imm)在1米高度处施加自由落体的水流，发现水流冲击到不锈钢筛网后，形成沾湿， 即无超疏水现象(图5)。实施例2其它同实施例1，但不锈钢筛网用聚四氟乙烯(PTFE)疏水化处理，即将不锈钢筛 网浸在PTFE微粉(颗粒直径约0. 05-0. 5 μ m)悬浮液中10分钟，然后取出先在200°C烘箱 中干燥30min，再在300°C烘箱中干燥2min。其微观结构和静态水滴接触角如图2。可以 看出，即便不予任何鼓气，筛网表面已呈超疏水性质。将PTFE处理后不锈钢筛网同实施例 1中固定在抽滤瓶口上，通入1. 5L/S的N2流，用聚乙烯塑料水瓶(500mL，出水口径Imm)在 1米高度处施加自由落体的水流，发现水流在接触到筛网后呈现较明显的弹跳行为，水滴基 本呈圆球型，即筛网具备了主动超疏水性能(图6)。实施例3其它同实施例2，但改用4. 5L/s的N2流，发现水流在接触到筛网后呈现非常明显 的弹跳行为，水滴呈圆球型，即筛网具备了主动超疏水性能(图8)。实施例4将等效孔径为1200目的不锈钢烧结纤维毡浸在质量浓度为2%的二氯甲基硅烷 的氯仿溶液中lOmin，取出后在100°C烘箱中干燥lh，其微观结构和静态水滴接触角如图3。 可以看出，纤维毡在用甲基硅烷处理后，表面接触角高达126. 3°，呈疏水性质，但并非超疏 水。然后同实施例2，将其固定在一抽滤瓶口上，通入3178的N2流，发现水流在接触到筛网 后呈现明显的弹跳行为，水滴呈圆球型，即不锈钢烧结纤维毡具备了主动超疏水性能(图 9)。实施例5 (对照例)将500目不锈钢筛网(天台第一筛网厂)在180°C、 500g/cm2下热压到HDPE (韩 国大林产业公司，5502)片材表面，冷却至100°C将筛网从HDPE表面剥离，得到具有仿荷叶 微突起结构的HDPE超疏水表面(图10)。但这样的超疏水表面稳定性欠佳，表现为当将 20 μ L大小的水滴分别从不同高度处自由落体至该超疏水表面时，发现水滴下落高度越高 即冲击动能越大，接触角变得越小。在超过50cm后，HDPE表面由疏水变为亲水(见表1)。
5相比之下，本发明在表面疏水的贯通多孔材料一侧通空气或氮气，在贯通多孔材料的另外 一侧即方便地得到了主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面。表120 μ L大小的水滴在不通高度处自由落在HDPE超疏水表面上后的接触角
高度/cm0.2 1 35 10203050静态接触角/。153.0 147.3 141.1132.4 125.9121.098.983.权利要求
一种主动、耐水流冲击、非荷叶型的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤(1)将贯通多孔材料做疏水化处理，将贯通多孔材料的孔表面和最外层改性成与水的接触角大于90°的表面；所述贯通多孔材料的孔径大小和间隔分别为2～500μm；(2)在表面疏水的贯通多孔材料一侧通空气或氮气，则在贯通多孔材料的另外一侧得到主动、耐水流冲击、非荷叶型的超疏水表面。
2.按权利要求1所述的主动、耐水流冲击、非荷叶型的超疏水表面的制备方法，其特征 是所述的贯通多孔材料为金属丝网、聚合物丝网、不锈钢烧结纤维毡、玻纤布或泡沫金属。
3.按权利要求1所述的主动、耐水流冲击、非荷叶型的超疏水表面的制备方法，其特征 是所述的贯通多孔材料的孔径大小和间隔分别为20 100 μ m。
4.按权利要求1所述的主动、耐水流冲击、非荷叶型的超疏水表面的制备方法，其特征 是所述步骤(2)中，氮气或空气在贯通多孔材料一侧的鼓气流量在0. 01 lOOL/s · cm2。
5.按权利要求1所述的主动、耐水流冲击、非荷叶型的超疏水表面的制备方法，其特征 是所述步骤(2)中，氮气或空气在贯通多孔材料一侧的鼓气流量在01 lL/s · cm2。
全文摘要
本发明公开了一种主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面的制备方法，具体包括以下步骤(1)将贯通多孔材料做疏水化处理，将多孔材料的孔表面和最外层表面改性成与水的接触角大于90°的表面；所述贯通多孔材料的孔径大小和间隔分别在2～500μm；(2)在表面疏水的贯通多孔材料一侧通空气或氮气，则在贯通多孔材料的另外一侧得到主动、耐水流冲击、非荷叶型超疏水表面。本发明制备方法操作工艺简单、成本低、环保性和重复性好，且易于大面积制备，所得非荷叶型表面能实现主动超疏水，并具有耐水流冲击、耐固液边界层摩擦、耐静压渗透等持久超疏水性能，可望用于水面航行器的减阻。
文档编号B81C1/00GK101891142SQ20101022310
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者冯杰, 林飞云, 钟明强 申请人:浙江工业大学