超疏水材料表面的制备方法

2017-06-29 15:52:13 防雾剂,织物疏水疏油整理剂 阅读

疏水材料

1相分离方法制备超疏水材料

将本体聚合制备的聚苯乙烯溶于四氢呋喃,然后向该溶液中滴加乙醇来引发相分离,通过控制乙醇的含量来控制相分离的程度,从而制备出表面结构可控的聚苯乙烯薄膜。科学家发现向聚丙烯的溶液中滴加适量的不良溶剂,会增加聚丙烯图层的表面粗糙度,这是因为由于不良溶剂的加入导致了聚丙烯溶液的相分离。因此向PS的THF溶液中滴加适量的PS的不良溶剂乙醇,会导致PS溶液的相分离,从而制备出表面结构粗糙的材料表面。并且乙醇的加入量影响着相分离的程度,进而影响着PS薄膜的表面粗糙程度。相分离过程发生在涂膜后,随着不良溶剂乙醇的挥发,在溶液中大量积聚的PS分子为了减少表面能自发的形成小球,有的小球之间会团聚形成大球。从结构分析,材料表面就形成了微纳双重结构。通过实验发现乙醇的浓度(体积比)在49%左右时接触角达到最大值151.6°。乙醇浓度较小时,相分离程度不充分,只形成小球无大球。乙醇浓度较大时,材料表面只形成大球而无小球。因此,适量的乙醇浓度,才能使材料表面形成良好的微纳双重结构,从而得到性能优异的超疏水材料。

2、模板印刷法

Sun等使用荷叶作为原始模板得到PDMS的凹模板,再使用该凹模板得到 PDMS 凸模板,该凸模板是荷叶的复制品,它与荷叶有同样的表面结构,因此表现出良好的超疏水性和很低的滚动角。该工艺类似于“印刷”,因此称为模板印刷法。Lee 等用金属镍来代替 PDMS ,获得竹叶的凹模板。再在金属镍凹模板上使用紫外光固化的高分子材料复制,得到类似竹叶的复制品,该复制品具有超疏水能力。金属镍模板更耐磨、刚性更好、更易准确复制。在Lee 的另外一篇文章中还有更多的例子。另外,Lai等通过光催化印刷法在 TiO 2 纳米管膜上获得超亲水超疏水的方法也很有价值。模板印刷法是一种简洁、有效、准确、便宜、可大面积复制的制备方法。有望成为实用化制备超疏水材料的重要方法。

3、电纺法

江雷等通过一种简单的电纺技术 , 将溶于DMF溶剂中的PS制成具有多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水薄膜。其中多孔微球对超疏水性能起主要作用 ,纳米纤维起固定多孔微球的作用,该膜的WCA 达到160.4 °。Kang等也采用该法制备了PS超疏水膜。Ma等通过电纺法得到 PS-g-PDMS 和PS共纺的无纺布。由于PDMS在纤维表面富集,并且纤维尺寸为150~400nm,因此,该无纺布 WCA 可达到163 °。该纤维透气性好、柔韧、超疏水等优点使它在纺织和生物领域有很大的应用价值。具有超疏水性的纤维在服装或无纺布方面有很大的潜在应用价值 , 电纺法无疑是一种很有潜力的方法。

4、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法就是用含有高化学活性组份的化合物作前驱体进行水解得到溶胶后使其发生缩合反应,在溶液中形成稳定的凝胶,最后干燥凝胶。溶剂去除后 , 有时留下一些微纳米孔,这些微纳米孔结构赋予材料某些特殊性能,包括超疏水性。如有机硅气凝胶,由于孔结构发达,使它具有非常高的比表面积、已知材料中最低的密度、非常低的导热系数以及其他特性,因此它被称为“第四代材料” 。有些方法制备的有机硅气凝胶还具有超疏水功能。如 Venkateswara 等使用甲基三甲氧基硅烷 (MTMS) 通过超临界干燥法制备了柔韧的硅气凝胶,WCA可以高达164 °。该硅气凝胶表面有丰富的-CH3基团和数量巨大的纳米级孔洞具有超疏水功能。调整工艺 ,WCA 甚至可以高达173 °溶胶-凝胶法对于无机超疏水材料如 ZnO、TiO2和Al2O3的制备具有一定的优势,但存在着工艺路线较长、有溶剂污染和成本较高等缺点。

5、模板挤压法

模板挤压法就是使用孔径接近纳米级的多孔氧化铝膜作为模板,将溶解于溶剂的高分子滴于其上,干燥后得到超疏水表面。冯琳等通过模板挤压法用亲水性聚乙烯醇材料制备了超疏水表面,接触角可以达到171. 2 °。这可能是由于聚乙烯醇分子在纳米结构上发生重排,使得疏水烷基基团向外,亲水羟基基团向内并形成分子间氢键,体系表面能降低造成的。金美华等通过模板挤压法制备了超疏水阵列聚苯乙烯纳米管膜。该膜不但有超疏水特性,还具有对水超强的高粘滞力,甚至水滴完全反转都不掉落,类似 “壁虎脚”。模板挤压法效果好、工艺较简单,但如何获得价格便宜、尺寸大并且性能可靠的模板是关键。

6、激光和等离子体刻蚀法 

Khorasani等在室温环境下用CO2脉冲激光处理聚二甲基硅氧烷(PDMS), 其表面的WCA高达175°。可能的原因为在激光处理后 ,PDMS 表面产生多孔结构,PDM的分子链排列规整。Fresnais 等在氧气气氛下用等离子处理LDPE膜,然后再在CF4气氛下用等离子处理,获得透明度高的超疏水LDPE膜。另外,在 Teshima 和 Lacroix 的文章中也有用等离子刻蚀法获得超疏水表面的记录。但该类方法存在仪器昂贵、成本高、得到超疏水表面积有限等缺点。

7、拉伸法

Zhang 等通过拉伸聚四氟乙烯膜 (Teflon 膜)得到表面带有大量孔洞的纤维,从而获得超疏水膜。另外,在拉伸尼龙膜时证实,微观结构为三角形网状结构的尼龙膜具有超疏水特性,但双向拉伸后,尼龙膜由超疏水转变为超亲水,与水的接触角从 151.2°变为0°,这估计是三角形网状结构的尺寸在拉伸后发生变化造成的。拉伸法简单、成本低、可获得面积大的超疏水表面,值得更多地研究。

8、腐蚀法

Guo 等使用低表面能物质修饰铝合金,得到具有超疏水性的金属表面。另外,Qian 等对金属铜、锌表面进行化学腐蚀处理,也获得了具有超疏水性的金属表面。另外,有些方法类似于腐蚀法,即通过一种手段除掉某一部分。Li等在清洁的玻璃片上涂上聚苯乙烯(PS)水性悬浮液,120℃烘干,得到布满相互有些粘结的PS纳米级微球的玻璃片。滴一滴0.5mol/ L的Fe(NO3)3溶液于其上,Fe(NO 3 )3溶液渗入 PS 纳米级微球的缝隙。最后,将样品在400℃下烧结2 h,使PS模板挥发,Fe(NO 3)3分解形成的 Fe2O3构成纳米柱状结构。在Li的另一篇文章也有类似方法的描述。



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