專利名稱：主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種制備主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面的方法。
背景技術(shù)：
目前人工超疏水表面多是從荷葉表面微結(jié)構(gòu)獲得靈感而研制的，盡管制備方法多 樣，但其抗水壓能力一直不盡人意一旦水滴的動(dòng)能(由水流速度決定)超過了其表面能， 乳突或尖刺結(jié)構(gòu)即能刺破水滴，使超疏水性能喪失。在應(yīng)用于流體減阻時(shí)，這樣的微粗糙結(jié) 構(gòu)中窩藏的空氣很容易被湍流引起的界面強(qiáng)摩擦趕出，從而喪失減阻性能。要想獲得對(duì)水 壓永久穩(wěn)定即對(duì)水流持續(xù)減阻的超疏水表面，有必要設(shè)計(jì)一種全新，完全不同于荷葉表面 微結(jié)構(gòu)的新型表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)超疏水，用于水面甚至水下航行器的減阻降噪。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本、工藝簡單，易于大規(guī)模生產(chǎn)主動(dòng)、耐 水流沖擊、非荷葉型超疏水表面的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面的制備方法，通過主動(dòng)引入氣流，使 疏水化處理的含孔表面形成耐水流沖擊的新型超疏水表面，具體包括以下步驟(1)將貫通多孔材料做疏水化處理，將貫通多孔材料的孔表面和最外層表面改性 成與水的接觸角大于90°的表面；所述貫通多孔材料的孔徑大小和間隔分別在2-500 μ m ；(2)在表面疏水的貫通多孔材料一側(cè)通空氣或氮?dú)?，則在貫通多孔材料的另外一 側(cè)得到主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面。進(jìn)一步，本發(fā)明所述的貫通多孔材料為金屬篩網(wǎng)(如不銹鋼篩網(wǎng))、聚合物篩網(wǎng)、 不銹鋼燒結(jié)纖維氈、玻纖布、泡沫金屬(如不銹鋼粉末燒結(jié)片)。進(jìn)一步，所述的疏水化處理可采用現(xiàn)有方法，采用低表面能物質(zhì)(甲基硅烷、含氟 硅烷、聚烯烴、含氟聚合物等)，用界面反應(yīng)、噴涂、浸塑等方式處理貫通多孔材料。本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以根據(jù)貫通多孔材料的材質(zhì)自行選擇合適的疏水化處理方法。具體的，比如對(duì)金 屬篩網(wǎng)，可用聚四氟乙烯(PTFE)進(jìn)行疏水化處理，即將金屬篩網(wǎng)浸在PTFE微粉(顆粒直徑 約0. 05-0. 5 μ m)懸浮液中0. 5 20分鐘，然后取出干燥(優(yōu)選先在150 250°C烘箱中干 燥10 30min，再在280 320°C烘箱中干燥1 5min)，即可將金屬篩網(wǎng)的孔表面和最外 層表面改性成與水的接觸角大于90°的表面。又比如對(duì)不銹鋼燒結(jié)纖維氈、玻纖布以及泡 沫金屬等含非單層孔的材料，可采用如下方法進(jìn)行疏水化處理將含非單層孔的材料浸在 質(zhì)量濃度為1 5%的二氯甲基硅烷的氯仿溶液中10 30分鐘，取出自然涼干，即可將含 非單層孔材料的孔表面和最外層表面改性成與水的接觸角大于90°的表面。進(jìn)一步，本發(fā)明優(yōu)選所述貫通多孔材料的孔徑大小和間隔均為20-100 μ m。進(jìn)一步，本發(fā)明推薦步驟(2)所述的在表面疏水的貫通多孔材料的一側(cè)通空氣或 氮?dú)?，一般而言，只要在一?cè)持續(xù)鼓風(fēng)，另一側(cè)即能得到主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面。氮?dú)饣蚩諝獾墓臍饬髁吭?. Ol-lOOL/s · cm2，優(yōu)選0. 1-lL/s · cm2。所述的“cm2”為 貫通多孔材料的面積單位?？紤]到具體的應(yīng)用場合，可以采用如下方法通入空氣或氮?dú)鈱⒈砻媸杷呢炌?多孔材料蒙或蓋在一個(gè)底部(或上部)有通風(fēng)口的半封閉空間上，形成封閉空間，然后從底 部(或上部)通入氮?dú)饣蚩諝狻１景l(fā)明中，所述的在另外一側(cè)得到超疏水表面是指由于持續(xù)通風(fēng)，加上多孔材料 表面的疏水特性，水滴難以在這種表面黏附鋪展，呈完全超疏水狀態(tài)，即不僅具有150°以 上的接觸角，還具有10°以下的滾動(dòng)角。本發(fā)明中，所述的主動(dòng)超疏水是指超疏水表面不再靠被動(dòng)窩藏空氣實(shí)現(xiàn)超疏水， 而是靠主動(dòng)鼓泡來實(shí)現(xiàn)表面對(duì)水的超疏或排斥。本發(fā)明中，所述的耐水沖擊是指相比荷葉和仿荷葉人工超疏水表面，所制表面具 有很高的耐水流沖擊能力。具體依鼓氣流量和網(wǎng)孔大小而定。本發(fā)明中，所述的非荷葉型是指所制表面為網(wǎng)孔、交織纖維形成的孔以及泡孔等 結(jié)構(gòu)，而非荷葉表面的微納乳突結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可采用掃描電鏡(SEM)來觀察所得表面的微觀形貌；用接觸角測量儀測量 所得表面的水接觸角(包括靜態(tài)接觸角和滾動(dòng)角)；用高速攝像機(jī)拍攝水流在表面上的彈 跳行為，借此判斷該超疏水表面的耐水流沖擊能力。本發(fā)明表面的超疏水性及耐水流沖擊能力可由多孔材料的孔徑大小、間隔、疏水 處理程度以及鼓氣流量等因素來決定。本發(fā)明制得的新型超疏水表面可在水面航行器減阻領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法操作工藝簡單、成本低、環(huán)保性和重復(fù)性好，且易于 大面積制備，所得非荷葉型表面能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)超疏水，并具有耐水流沖擊、耐固液邊界層摩 擦、耐靜壓滲透等持久超疏水性能，可望用于水面航行器的減阻，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。


圖1是150目不銹鋼篩網(wǎng)用PTFE疏水化處理后SEM照片及接觸角；圖2是500目不銹鋼篩網(wǎng)用PTFE疏水化處理后SEM照片及接觸角；圖3是等效孔徑為1200目的不銹鋼燒結(jié)纖維氈用二氯甲基硅烷疏水化處理后的 SEM照片及相應(yīng)接觸角；圖4是不銹鋼粉末燒結(jié)片數(shù)碼照片；圖5是在4. 5L/s鼓氣量下，水流沖擊到未疏水處理的500目不銹鋼篩網(wǎng)上的瞬間 截圖，水滴在篩網(wǎng)表面形成沾濕，未顯示彈跳，故不具有超疏水性能；圖6是在1. 5L/s鼓氣量下，水流沖擊到PTFE處理的500目不銹鋼篩網(wǎng)上的瞬間 截圖，圖中淺色陰影部分顯示水滴彈跳和滾動(dòng)行為，右邊清晰水滴呈球形。證明篩網(wǎng)表面具 備主動(dòng)超疏水性能；圖7是在3L/s鼓氣量下，水流沖擊到PTFE處理的500目不銹鋼篩網(wǎng)上的瞬間截 圖，圖中淺色陰影部分顯示水滴彈跳和滾動(dòng)行為，中間清晰大水滴及眾多小水滴呈球形。證 明篩網(wǎng)表面具備主動(dòng)超疏水性能；圖8是在4. 5L/s鼓氣量下，水流沖擊到PTFE處理的500目不銹鋼篩網(wǎng)上的瞬間截圖，圖中淺色陰影部分顯示水滴彈跳和滾動(dòng)行為，中間大水滴呈橢球形，右邊小水滴呈球 形。證明篩網(wǎng)表面具備主動(dòng)超疏水性能；圖9是在3L/s鼓氣量下，水流沖擊到疏水處理的不銹鋼纖維氈上的瞬間截圖，圖 中淺色陰影部分顯示水滴彈跳和滾動(dòng)行為，中間清晰水滴呈球形。證明纖維氈表面具備主動(dòng)超疏水性能；圖10是以不銹鋼篩網(wǎng)為模板，通過熱壓_拉伸微模塑工藝制得的被動(dòng)、仿荷葉型 超疏水表面；
具體實(shí)施例方式以下實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但這些實(shí)例并不用來限制本發(fā)明。實(shí)施例1將未用PTFE疏水化處理500目不銹鋼篩網(wǎng)剪成直徑約4cm的圓片，將其固定在一 抽濾瓶口上(圖5)，然后在真空抽口處通入4. 5L/s的N2流，用聚乙烯塑料水瓶(500mL，出 水口徑Imm)在1米高度處施加自由落體的水流，發(fā)現(xiàn)水流沖擊到不銹鋼篩網(wǎng)后，形成沾濕， 即無超疏水現(xiàn)象(圖5)。實(shí)施例2其它同實(shí)施例1，但不銹鋼篩網(wǎng)用聚四氟乙烯(PTFE)疏水化處理，即將不銹鋼篩 網(wǎng)浸在PTFE微粉(顆粒直徑約0. 05-0. 5 μ m)懸浮液中10分鐘，然后取出先在200°C烘箱 中干燥30min，再在300°C烘箱中干燥2min。其微觀結(jié)構(gòu)和靜態(tài)水滴接觸角如圖2?？梢?看出，即便不予任何鼓氣，篩網(wǎng)表面已呈超疏水性質(zhì)。將PTFE處理后不銹鋼篩網(wǎng)同實(shí)施例 1中固定在抽濾瓶口上，通入1. 5L/S的N2流，用聚乙烯塑料水瓶(500mL，出水口徑Imm)在 1米高度處施加自由落體的水流，發(fā)現(xiàn)水流在接觸到篩網(wǎng)后呈現(xiàn)較明顯的彈跳行為，水滴基 本呈圓球型，即篩網(wǎng)具備了主動(dòng)超疏水性能(圖6)。實(shí)施例3其它同實(shí)施例2，但改用4. 5L/s的N2流，發(fā)現(xiàn)水流在接觸到篩網(wǎng)后呈現(xiàn)非常明顯 的彈跳行為，水滴呈圓球型，即篩網(wǎng)具備了主動(dòng)超疏水性能(圖8)。實(shí)施例4將等效孔徑為1200目的不銹鋼燒結(jié)纖維氈浸在質(zhì)量濃度為2%的二氯甲基硅烷 的氯仿溶液中l(wèi)Omin，取出后在100°C烘箱中干燥lh，其微觀結(jié)構(gòu)和靜態(tài)水滴接觸角如圖3。 可以看出，纖維氈在用甲基硅烷處理后，表面接觸角高達(dá)126. 3°，呈疏水性質(zhì)，但并非超疏 水。然后同實(shí)施例2，將其固定在一抽濾瓶口上，通入3178的N2流，發(fā)現(xiàn)水流在接觸到篩網(wǎng) 后呈現(xiàn)明顯的彈跳行為，水滴呈圓球型，即不銹鋼燒結(jié)纖維氈具備了主動(dòng)超疏水性能(圖 9)。實(shí)施例5 (對(duì)照例)將500目不銹鋼篩網(wǎng)(天臺(tái)第一篩網(wǎng)廠)在180°C、 500g/cm2下熱壓到HDPE (韓 國大林產(chǎn)業(yè)公司，5502)片材表面，冷卻至100°C將篩網(wǎng)從HDPE表面剝離，得到具有仿荷葉 微突起結(jié)構(gòu)的HDPE超疏水表面(圖10)。但這樣的超疏水表面穩(wěn)定性欠佳，表現(xiàn)為當(dāng)將 20 μ L大小的水滴分別從不同高度處自由落體至該超疏水表面時(shí)，發(fā)現(xiàn)水滴下落高度越高 即沖擊動(dòng)能越大，接觸角變得越小。在超過50cm后，HDPE表面由疏水變?yōu)橛H水(見表1)。
5相比之下，本發(fā)明在表面疏水的貫通多孔材料一側(cè)通空氣或氮?dú)猓谪炌ǘ嗫撞牧系牧硗?一側(cè)即方便地得到了主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面。表120 μ L大小的水滴在不通高度處自由落在HDPE超疏水表面上后的接觸角
高度/cm0.2 1 35 10203050靜態(tài)接觸角/。153.0 147.3 141.1132.4 125.9121.098.983.權(quán)利要求
一種主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型的超疏水表面的制備方法，包括以下步驟(1)將貫通多孔材料做疏水化處理，將貫通多孔材料的孔表面和最外層改性成與水的接觸角大于90°的表面；所述貫通多孔材料的孔徑大小和間隔分別為2～500μm；(2)在表面疏水的貫通多孔材料一側(cè)通空氣或氮?dú)?，則在貫通多孔材料的另外一側(cè)得到主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型的超疏水表面。
2.按權(quán)利要求1所述的主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型的超疏水表面的制備方法，其特征 是所述的貫通多孔材料為金屬絲網(wǎng)、聚合物絲網(wǎng)、不銹鋼燒結(jié)纖維氈、玻纖布或泡沫金屬。
3.按權(quán)利要求1所述的主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型的超疏水表面的制備方法，其特征 是所述的貫通多孔材料的孔徑大小和間隔分別為20 100 μ m。
4.按權(quán)利要求1所述的主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型的超疏水表面的制備方法，其特征 是所述步驟(2)中，氮?dú)饣蚩諝庠谪炌ǘ嗫撞牧弦粋?cè)的鼓氣流量在0. 01 lOOL/s · cm2。
5.按權(quán)利要求1所述的主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型的超疏水表面的制備方法，其特征 是所述步驟(2)中，氮?dú)饣蚩諝庠谪炌ǘ嗫撞牧弦粋?cè)的鼓氣流量在01 lL/s · cm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面的制備方法，具體包括以下步驟(1)將貫通多孔材料做疏水化處理，將多孔材料的孔表面和最外層表面改性成與水的接觸角大于90°的表面；所述貫通多孔材料的孔徑大小和間隔分別在2～500μm；(2)在表面疏水的貫通多孔材料一側(cè)通空氣或氮?dú)猓瑒t在貫通多孔材料的另外一側(cè)得到主動(dòng)、耐水流沖擊、非荷葉型超疏水表面。本發(fā)明制備方法操作工藝簡單、成本低、環(huán)保性和重復(fù)性好，且易于大面積制備，所得非荷葉型表面能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)超疏水，并具有耐水流沖擊、耐固液邊界層摩擦、耐靜壓滲透等持久超疏水性能，可望用于水面航行器的減阻。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101891142SQ20101022310
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者馮杰, 林飛云, 鐘明強(qiáng) 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)