一種耐久性的親水?超疏水雙極自潔復合膜及其制備方法技術

本發明專利技術屬于超疏水表面技術領域，公開了一種耐久性的親水?超疏水雙極自潔復合膜及其制備方法。所述制備方法為：將環氧基硅烷偶聯劑加入到有機溶劑中，攪拌混合均勻后加入胺類固化劑和蒸餾水，攪拌后加入微米級固體顆粒和疏水性納米SiO

A durable hydrophilic bipolar superhydrophobic self-cleaning composite membrane and preparation method thereof

The invention belongs to the field of super hydrophobic surface technology, discloses a durable hydrophilic bipolar superhydrophobic self-cleaning composite membrane and preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: adding an epoxy silane coupling agent into an organic solvent; stirring and mixing evenly; adding amine curing agent and distilled water; stirring with adding micron size solid particles and hydrophobic nano SiO

【技術實現步驟摘要】
一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜及其制備方法
本專利技術屬于超疏水表面
，具體涉及一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜及其制備方法。
技術介紹
隨著荷葉表面的自清潔機理被發現，界面的特殊浸潤現象引起了研究學者的廣泛興趣。超疏水表面由于水滴在其表面的接觸角大(≧150°)，滾動角小(≦10°)，呈圓球狀處于其表面，從而使超疏水表面在界面現象中具有很多獨特的優勢，例如：自清潔、防油污、防腐蝕、抗結露、抗結霜等。因此，研究超疏水表面的制備具有非常重要的實際意義和廣闊的應用前景。近年來，超疏水表面的制備方法急劇涌現，但是絕大多數方法制備的超疏水表面其耐久性弱。在實際生產和生活中，不可避免的，表面會受到各種外力的作用。目前，超疏水表面不能在工業生產和生活中被廣泛使用的主要障礙在于，其弱的機械耐久性使其不能承受各種外力的作用。科學工作者們通過不懈的努力來提高超疏水表面的耐久性。例如CN101962514A公開了一種長耐久性的超疏水自清潔涂層材料及其制備方法，該方法是由光催化活性的納米粒子、低表面自由能聚合物和交聯劑制備而成，但是該方法的低表面自由能聚合物需用到氟化聚硅氧烷，而氟化物價格昂貴，使用成本高；同時涂層與基材之間的結合情況沒有說明；沒有對涂層的機械性能進行檢測。CN105602412A公開了一種耐磨超疏水納米二氧化鈦涂層的制備方法，該方法是利用硅烷偶聯劑和環氧樹脂固定疏水改性的二氧化鈦顆粒，但是制備過程中周期長，只膜層干燥過程就需要8～10h；制備出的超疏水表面的接觸角只有150°左右，超疏水效果并不是特別好；摩擦測試只是用質量變化來表示耐磨性能，不能很好地說明問題。Zhuetal.通過在高溫高壓下，將碳納米管嵌入聚四氟乙烯模板中，由于聚四氟乙烯和碳納米管都是疏水材料，并且碳納米管在聚四氟乙烯中又可以起到粗糙結構的作用，由此制得的超疏水表面，其耐久性被增強。該表面可以承受20次的5.6kPa的外力磨損，其表面的接觸角從159°降到152°，仍可以保持一定的超疏水性。Wongetal.利用噴涂法將疏水納米二氧化硅噴涂固定于聚氨酯膠體中，來制備機械耐久性的超疏水表面。該表面可以承受120次的循環磨損而保持超疏水狀態不變。這些方法雖然都在一定程度上增強了粗糙結構與低表面能材料之間的相互作用力，但是超疏水膜層與基材之間的作用力并沒有得到提高，超疏水表面的耐久性弱的缺點并沒有得到真正的解決。
技術實現思路
為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本專利技術的首要目的在于提供一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜的制備方法。本專利技術的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到的耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜。本專利技術目的通過以下技術方案實現：一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜的制備方法，包括如下制備步驟：(1)將環氧基硅烷偶聯劑加入到有機溶劑中，攪拌混合均勻后加入胺類固化劑和蒸餾水，攪拌20～50min，然后加入微米級固體顆粒和疏水性納米SiO2顆粒，繼續攪拌1～3h，得到親水層溶液；(2)將疏水改性劑加入到溶劑中，同時加入親水性納米SiO2顆粒，攪拌混合均勻，得到疏水層溶液；(3)將步驟(1)制備的親水層溶液涂覆于經預處理后的基材表面，在60～80℃加熱處理10～50min，然后涂覆步驟(2)所得疏水層溶液，100～140℃加熱處理50～90min，得到所述耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜。優選地，步驟(1)中所述環氧基硅烷偶聯劑是指同時含有甲氧基、乙氧基、氯基、乙酰氧基中至少一種基團和環氧基團的有機硅烷化合物，作為舉例的具體化合物有：γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、3-(2，3-環氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷、2-(3，14-環氧環己基)乙基三甲氧基硅烷等。所述的環氧基硅烷偶聯劑中的可水解基團在水解之后與基材發生共價鍵反應，同時環氧官能團與胺類固化劑發生共價交聯反應生成三維網絡狀結構，粘結包裹固體顆粒，同時可以生成一種的新的官能團，以備與之后涂覆的疏水層溶液發生共價鍵反應。所述的有機溶劑溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇中的至少一種。優選地，步驟(1)中所述的胺類固化劑為十八胺、乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的至少一種。優選地，步驟(1)中所述微米級固體顆粒為微米級的二氧化硅、氧化鋁、氧化鋅、金剛砂中的至少一種。優選地，步驟(1)中各物料加入量的重量份如下：環氧基硅烷偶聯劑2～5份，有機溶劑20～50份，胺類固化劑0.5～3份，蒸餾水0.5～3份，微米級固體顆粒0～0.5份，疏水性納米SiO2顆粒0.2～0.6份。優選地，步驟(1)中所述親水層溶液的制備過程中，溫度保持在25～40℃的范圍。優選地，步驟(2)中所述疏水改性劑為六甲基二硅胺烷、三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷中的至少一種。所述的溶劑為甲醇、乙醇、丙二醇、異丙醇、異丁醇、丁醇、丙三醇、四氫呋喃中的至少一種。優選地，步驟(2)中各物料加入量的重量份如下：疏水改性劑2～6份，溶劑10～50份，親水性納米SiO2顆粒0.05～0.3份。優選地，步驟(3)中所述基材包括玻璃、鐵、銅、鋁、水泥等基材；所述預處理包括在乙醇和丙酮的混合液中超聲清洗，然后用去離子水清洗、烘干。一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜，通過上述方法制備得到。本專利技術的原理為：利用親水-超疏水雙極復合膜制備的超疏水表面，既可以滿足微觀結構穩健，又可以實現低表面能材料的持久。在雙層膜中，親水層作為鏈接層，使用含有兩種不同性質官能團的有機材料，分別與基材、疏水層之間以共價鍵的形式結合在一起，增強膜層對外界機械力的抵抗。膜層的微觀結構則由分散在親水層的微米級固體顆粒充當，并且該固體顆粒不是松散的堆放在親水層中，而是由親水層中的粘結膠緊實的粘結在一起，增強了微觀結構的穩健性。疏水層與親水層之間以共價鍵的形式結合在一起，強化了低表面能材料的持久性。從而使制備的超疏水表面的耐久性被極大的增強。該膜既有親水基，又有憎水基，既能超疏水，又能與底層通過共價鍵緊密結合，稱為雙極膜。當基材為玻璃時，本專利技術所述親水層與基材之間的共價結合反應示意圖及親水層與疏水層之間的共價結合反應示意圖分別如圖1和圖2所示；所得親水-超疏水自潔復合膜的結構示意圖如圖3所示。當基材為其他材質時類似。本專利技術的制備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：(1)本專利技術的制備過程簡單，在制備過程中不需要昂貴的設備，不需要高價的實驗試劑，只需簡單的涂膜烘干即可；(2)本專利技術所得親水-超疏水雙極復合膜的超疏水表面長期穩定性好，機械耐久性強；在水中浸泡長達4天之久依舊可以滿足自清潔的效果；在20g砝碼的重量下、1200目的砂紙上、17cm的單次摩擦距離，可以承受180次之多的摩擦循環，具有較好的工業應用前景。附圖說明圖1和圖2為當基材為玻璃時，本專利技術所述親水層與基材之間的共價結合反應示意圖和親水層與疏水層之間的共價結合反應示意圖；圖3為當基材為玻璃時，本專利技術所述親水-超疏水自潔復合膜的結構示意圖；圖4為本專利技術實施例1所得親水-超疏水自潔復合膜的掃描電鏡圖；圖5為本專利技術實施例1所得親水-超疏水自潔復合膜的接觸角測試結果圖；圖6為本專利技術實施例1所得親水-超疏水自潔復合膜的耐久性與潤濕性的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種耐久性的親水?超疏水雙極自潔復合膜的制備方法，其特征在于包括如下制備步驟：(1)將環氧基硅烷偶聯劑加入到有機溶劑中，攪拌混合均勻后加入胺類固化劑和蒸餾水，攪拌20～50min，然后加入微米級固體顆粒和疏水性納米SiO

【技術特征摘要】
1.一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜的制備方法，其特征在于包括如下制備步驟：(1)將環氧基硅烷偶聯劑加入到有機溶劑中，攪拌混合均勻后加入胺類固化劑和蒸餾水，攪拌20～50min，然后加入微米級固體顆粒和疏水性納米SiO2顆粒，繼續攪拌1～3h，得到親水層溶液；(2)將疏水改性劑加入到溶劑中，同時加入親水性納米SiO2顆粒，攪拌混合均勻，得到疏水層溶液；(3)將步驟(1)制備的親水層溶液涂覆于經預處理后的基材表面，在60～80℃加熱處理10～50min，然后涂覆步驟(2)所得疏水層溶液，100～140℃加熱處理50～90min，得到所述耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜。2.根據權利要求1所述的一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述環氧基硅烷偶聯劑是指同時含有甲氧基、乙氧基、氯基、乙酰氧基中至少一種基團和環氧基團的有機硅烷化合物；所述的有機溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇中的至少一種。3.根據權利要求1所述的一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述的胺類固化劑為十八胺、乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的至少一種。4.根據權利要求1所述的一種耐久性的親水-超疏水雙極自潔復合膜的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述微米級固體顆粒為微米級的二氧化硅、氧化鋁、氧化鋅、金剛砂中的至少一種。5.根據權利要求1所述的一種耐久性的親水...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張立志，職晶慧，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44