一種制備超疏水表面的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制備超疏水表面的方法，屬疏水表面材料制備【技術領域】。本發(fā)明以切片石蠟、硬脂酸、蜂蠟及助劑乙酸鈉等為原料，經在空氣中燃燒，將玻璃置于火焰整體高度的4/5處，使燃燒時產生的納米顆粒沉積在玻璃表面，制備具有超疏水性能的表面。本發(fā)明提供的超疏水表面的制備方法，接觸角大于150°，滾動角小于7°，材料表面表現出超疏水性質。本發(fā)明技術方案工藝簡單、易于控制、適用面廣，所提供的在防水、自清潔等領域都具有良好的應用前景。
【專利說明】一種制備超疏水表面的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過納米顆粒沉積制備超疏水表面的方法，屬疏水表面材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，以荷葉表面為典型代表的，表面接觸角大于150°且滾動角小于10°的材料可以稱為超疏水材料。近年來，由于超疏水材料表面化學組分和納米結構的特殊性，使材料表面的水滴呈現出不能被浸濕的特性而受到科學界、工業(yè)界地廣泛關注(參見文獻:Barthlott ff, Neinhuis C.Planta, 1997，202: 1-8 ;江雷.化工進展，2003，22:1258-1264)。
[0003]超疏水材料表面的疏水機制一般可以用Cassie的模型進行解釋。該模型中假設由于材料表面的納米級粗糙結構使其結構間隙中存在空氣，材料表面水滴停留在具有空氣層的納米結構復合表面而不與基質直接接觸。這樣使水滴與材料表面的接觸角大于150°從而獲得超疏水性能。處于超疏水材料表面的水滴由于具有特殊浸潤性而非常容易滾動，使材料表面污物隨水滴滾動被帶走而實現自清潔效果。目前研究表明，材料的超疏水性能是由材料表面的化學組分和表面納米結構共同作用的結果。其中材料化學組分是使其具有疏水性能的基礎，而表面的納米結構是進一步提高疏水性能的保障。一般來說，材料表面自由能越大就越易被潤濕，形成的接觸角就小，因此選用表面自由能低的材料是制備超疏水表面的前提。同時，光滑材料表面即使采用表面自由能最低的全氟烷修飾后其接觸角也只能達到120°。因此需要在材料表面進一步構筑納米結構才可能形成超疏水表面。類似的，荷葉表面具有的超疏水性能也是由于表面的微米及納米級雙重粗糙結構，并且這種粗糙結構表面覆蓋著一層納米級的蠟質晶體。上述二者的共同作用使材料表面具有超疏水性能和自清潔能力。因此，目前制備超疏水表面的策略目前主要也是兩種:一是通過采用疏水材料構建表面的粗糙結構；另一種通過構筑粗糙表面結構后采用低表面能物質對粗糙表面進行修飾。
[0004]目前，構筑超疏水表面的方法包括溶膠-凝膠法、蝕刻法、氣相沉積法、模板法、等離子濺射法、靜電紡絲法、水熱法等。有科學家用模板法制備了具有超疏水表面的聚丙烯腈材料，這種材料是由聚丙烯腈纖維構成的，纖維末端是針狀；類似的，他們還制備了同時具有高接觸角及低滾落角的類荷葉狀的陣列碳納米管膜，這種膜表面的接觸角約為160°，滾動角約為3°。也有通過等離子體增強化學氣相沉積法制備的陣列碳納米管來形成超疏水膜，其中的納米管平均直徑達到50納米，高度為2微米。在這種膜的表面上采用聚四氟乙烯進行修飾后，水滴的滾動角超過160°。
[0005]然而，上述方法中存在著成本高、工藝復雜、儀器昂貴、制備周期長等不足。其中有些方法需要復雜的程序和苛刻的實驗條件；有些則需要使用特殊設備和價格昂貴的表面修飾劑；還有些方法不僅制備成本高，而且使用范圍也僅限一些特殊材質表面。這使超疏水材料僅很少一部分能達到實際應用的要求。而超疏水材料優(yōu)異的性能和廣泛的用途使開發(fā)簡單可行、環(huán)保經濟的制備方法成為迫切的需要。特別是不需要特殊及昂貴設備及材料、工藝簡單的制備方法將對拓寬材料應用范圍起到極其重要的作用，因此研究和開發(fā)新的超疏水性能材料制備方法具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0006]為了克服現有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、適用面廣，可實現規(guī)?；a的制備超疏水表面的方法。
[0007]實現本發(fā)明目的所采用的技術方案是提供一種制備超疏水表面的方法，包括如下步驟:
(O按重量計，將150?300份切片石蠟、50?100份硬脂酸加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入5?20份無水碳酸鈉，攪拌得到熔體A ;
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將I?10份助劑、20?50份蜂蠟加入到熔體A中攪拌均勻，得到熔體B ;所述的助劑為乙酸鈉、檸檬酸鈣、無水四硼酸鈉、磷酸氫二鉀、乙酸鈣中的一種；
(3)將熔體B在75?85°C的真空烘箱中脫泡10?30分鐘后，倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，待產生穩(wěn)定燃燒的火焰后，將基體置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程為0.5?1.5分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0008]本發(fā)明所述的切片石蠟熔點為52?54°C，54?56°C，56?58°C，58?60°C，60?62。。，62 ?64°C 中的一種。
[0009]所述的基體為玻璃、陶瓷、金屬材料中的一種。
[0010]與現有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果是:提供了一種通過納米顆粒沉積制備超疏水表面的新方法。通過調整各實驗原料的性質、原料之間的配比和沉積時間，有效地控制納米顆粒在基體表面的沉積過程，使得到的材料具有超疏水性能。所提出的制備方法不需要特殊及昂貴設備及材料、工藝簡單、適用面廣，容易實現規(guī)模制備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是實施例1提供的超疏水表面納米顆粒的SEM圖；
圖2是實施例1提供的超疏水表面接觸角圖；
圖3是本發(fā)明實施例燃燒產生顆粒的紅外光譜圖；
圖4是本發(fā)明實施例燃燒產生顆粒熱失重曲線；
圖5是實施例5提供的超疏水表面納米顆粒的SEM圖 圖6是實施例5提供的超疏水表面接觸角圖；
圖7是實施例8提供的超疏水表面納米顆粒的SEM圖；
圖8是實施例8提供的超疏水表面接觸角圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案作進一步描述。[0013]實施例1
(O按重量計，將150g切片石蠟(熔點52~54°C )、50g硬脂酸(熔點69~72°C)加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入5g無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ;
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將Ig檸檬酸鈣、20g蜂蠟(熔點62~67°C)加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在80°C的真空烘箱中脫泡30分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將玻璃置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.5分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0014]參見附圖1，它是本實施例提供超疏水表面納米顆粒的SHM圖，圖中可見，表面納米顆粒直徑約為20~30納米。
[0015]參見附圖2，它是本實施例提供的超疏水表面接觸角圖，其中水滴的接觸角為152.6°，滾動角為7°。
[0016] 為表征燃燒產生的納米顆粒組分，對其進行紅外光譜表征(FTIR)和熱失重(TGA)表征，結果參見附圖3、4所示。圖3為燃燒產生顆粒的紅外譜圖，圖中1589CHT1處的吸收峰是由具有石墨結構炭的紅外光活性特征振動吸收模Elu產生的；而對比燃燒原料(凝固物C)中處于29551850(3!^1之間的甲基與亞甲基吸收峰在燃燒產生顆粒的紅外譜圖中完全消失，可以說明凝固物C的氫元素都已經在燃燒過程中除去，得到的燃燒產物很可能是由炭元素構成的。對于燃燒產生顆粒的紅外譜圖中3450 CnT1和1630 cnT1處的吸收峰，是顆粒吸附的水分中的羥基形成的。由于原料(凝固物C)中的主要組分石蠟、硬脂酸、蜂蠟等分別進行燃燒后的產物是氣體和炭，而少量無機物在燃燒過程中會由于分解產生少量氣體，剩余的固體會留在未燃燒完成的凝固物C中，因此燃燒產生顆粒很可能是由炭元素構成的。將燃燒產生顆粒進行熱失重分析，參見附圖4，結果表明在加熱到600°C時燃燒產生顆粒的失重僅為2.5%左右，是由吸附的水分等小分子脫附造成的，這說明燃燒產生顆粒中不含原料(凝固物C)中的有機物。由于原料(凝固物C)中主要是以碳氫構成的有機物，因此可以確認燃燒產生顆粒是炭。
[0017]實施例2
(1)按重量計，將200g切片石蠟(熔點58~60°C)、80g硬脂酸(熔點69~72°C )加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入IOg無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ;
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將IOg無水四硼酸鈉、40g蜂蠟(熔點62~670C )加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在80°C的真空烘箱中脫泡30分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將陶瓷置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.0分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0018]實施例3
(I)按重量計，將300g切片石蠟(熔點58~60°C )、100g硬脂酸(熔點69~72°C)加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入20g無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ；
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將IOg無水四硼酸鈉、50g蜂蠟(熔點62~670C )加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在85°C的真空烘箱中脫泡20分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將陶瓷置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需0.5分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0019]實施例4
(O按重量計，將200g切片石蠟(熔點54~56°C )、90g硬脂酸(熔點69~72°C)加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入15g無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ;
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將8g乙酸鈣、30g蜂蠟(熔點62~67°C)加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在75°C的真空烘箱中脫泡10分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將鋁片置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.0分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0020]實施例5
(O按重量計，將180g切片石蠟(熔點56~58°C )、70g硬脂酸(熔點69~72°C)加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入12g無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ;
(2 )在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將7g乙酸鈉、25g蜂蠟(熔點62~67°C )加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在80°C的真空烘箱中脫泡15分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將鋼片置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.5分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0021]參見附圖5,它是本實施例提供超疏水表面納米顆粒的SE!M圖，圖中可以看到，表面納米顆粒直徑約為20~30納米。
[0022]參見附圖6，它是本實施例提供的超疏水表面接觸角圖，其中水滴的接觸角為156.9°，滾動角為7°。
[0023]實施例6
(1)按重量計，將180g切片石蠟(熔點54~56°C)、65g硬脂酸(熔點69~72°C )加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入IOg無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ;
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將5g乙酸鈣、20g蜂蠟(熔點62~67°C)加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在85°C的真空烘箱中脫泡10分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ； (4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將陶瓷置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.0分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0024]實施例7
(1)按重量計，將220g切片石蠟(熔點60?62°C)、105g硬脂酸(熔點69?72°C)力口熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入18g無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ；
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將9g磷酸氫二鉀、35g蜂蠟(熔點62?67V)加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在85°C的真空烘箱中脫泡30分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將銅片置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需0.5分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0025]實施例8
(1)按重量計，將280g切片石蠟(熔點62?64°C)、125g硬脂酸(熔點69?72°C)力口熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入25g無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ；
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將IOg無水四硼酸鈉、35g蜂蠟(熔點62?67 V )加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在75°C的真空烘箱中脫泡20分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將不銹鋼片置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.0分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0026]參見附圖7，它是本實施例提供超疏水表面納米顆粒的SEM圖，表面納米顆粒直徑約為20?30納米。
[0027]參見附圖8，它是本實施例提供的超疏水表面接觸角圖，其中水滴的接觸角為154.6°，滾動角為7°。
[0028]實施例9
(O按重量計，將185g切片石蠟(熔點58?60°C )、70g硬脂酸(熔點69?72°C)加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入IOg無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ;
(2 )在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將8g乙酸鈉、20g蜂蠟(熔點62?67°C )加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在85°C的真空烘箱中脫泡25分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將玻璃置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.0分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
[0029]實施例10
(I)按重量計，將2IOg切片石蠟(熔點60?62°C )、100g硬脂酸(熔點69?72°C)力口熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入15g無水碳酸鈉并攪拌10分鐘，得到熔體A ；
(2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將IOg檸檬酸鈣、30g蜂蠟(熔點62?67°C)加入到熔體A中并攪拌5分鐘，得到熔體B ；
(3)將熔體B在75°C的真空烘箱中脫泡20分鐘后，快速倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ；
(4)點燃凝固物C中的棉線，產生一個穩(wěn)定燃燒的火焰；將陶瓷置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程需1.0分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
【權利要求】
1.一種制備超疏水表面的方法，其特征在于包括如下步驟: (O按重量計，將150?300份切片石蠟、50?100份硬脂酸加熱至完全熔融后，在繼續(xù)加熱條件下加入5?20份無水碳酸鈉，攪拌得到熔體A ； (2)在繼續(xù)加熱、攪拌條件下，按重量計，將I?10份助劑、20?50份蜂蠟加入到熔體A中攪拌均勻，得到熔體B ;所述的助劑為乙酸鈉、檸檬酸鈣、無水四硼酸鈉、磷酸氫二鉀、乙酸鈣中的一種； (3)將熔體B在75?85°C的真空烘箱中脫泡10?30分鐘后，倒入預置棉線的模具中，待熔體B冷卻、凝固后從模具中取出，得到凝固物C ； (4)點燃凝固物C中的棉線，待產生穩(wěn)定燃燒的火焰后，將基體置于火焰整體高度的4/5處，使凝固物C燃燒產生的納米顆粒沉積在基體表面，沉積過程為0.5?1.5分鐘，得到具有超疏水性能的表面。
2.根據權利要求1所述的一種制備超疏水表面的方法，其特征在于:所述的切片石蠟熔點為 52 ?54°C，54 ?56°C，56 ?58°C，58 ?60°C，60 ?62°C，62 ?64°C中的一種。
3.根據權利要求1所述的一種制備超疏水表面的方法，其特征在于:所述的基體為玻璃、陶瓷、金屬材料中的一種。
【文檔編號】C09D1/00GK103480553SQ201310425680
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】秦大可, 顧嬡娟, 梁國正 申請人:蘇州大學