一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层及其制备方法。基片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15min，去除表面的油污和粉尘；接着，用无水乙醇淋洗，冷风吹干，备用。对纳米SiO2溶胶进行氟硅烷改性，获得超疏水涂层喷涂溶液，将超亲水性的单分散球式纳米SiO2溶液、硅微粉、玻璃微珠分别加入到上述超疏水涂层喷涂溶液中，搅拌均匀，喷涂在基片上，固化后得到超亲水颗粒杂化的超疏水涂层。这种涂层不但具有低粘附超疏水性，而且冷凝结露效率和露滴脱附量均明显比超疏水涂层高。本发明专利技术制备工艺简单、无污染、易操作、表观质量佳、成本低，在换热器、集水、海水淡化等方面有广阔的应用前景和巨大的市场效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层及其制备技术
技术介绍
低温高湿环境下，固体表面结露和结霜非常普遍。他们不仅使固体表面加速腐蚀，降低设备使用寿命，而且由于冷凝过程中产生的水膜减少了固-气界面的温差，导致热阻增加，能耗增大，冷凝传热效率降低，大大的造成能源浪费。根据国内外研究发现，在冷凝过程中，结露和结霜是一个非常复杂的过程，涉及到液滴形核与长大、界面、热学、液滴输运等方面，水蒸气遇到亲水表面可以快速的形核与长大，但是由于亲水表面的较大的表面能，液滴在表面粘附性大致使很难脱附，很快形成水膜，造成热阻加大；相反，水蒸气在超疏水表面形核能垒大，形核少且慢，水蒸气一旦形核，液滴会发生合并、迁移、自弹跳等行为，使其很快的脱附表面，带走热量，如果在冷凝过程中，液滴可以快速形核与长大，迅速脱落于固体表面，这将会在换热器、集水、海水淡化、油水分离、微流控等领域具有广泛的应用前景。因此，制备非均匀润湿性表面结合亲水表面形核快且多和超疏水表面液滴快速脱附的优点显得非常重要。目前，非均匀润湿性表面制备方法及技术遵循的原理基本上是先制备低粘附超疏水表面，然后通过机械或化学的方法使表面部分失去超疏水性能，最终获得超疏水/超亲水非均匀性润湿性表面。例如，Bai将TiO2溶液旋涂在玻片上，通过450℃，2.5h热处理在玻片上形成一层纳米级的TiO2颗粒，之后氟化的超疏水表面，最后将模板放在附有TiO2颗粒的玻片上对其紫外照射形成超疏水/超亲水图案化非均匀性润湿性表面【Adv.Mater.，2014，26(29)：5025-5030】；Emre先将TMV病毒感染在硅片表面上，将硅片浸入到Na2PdCl4和Na3PO4的混合溶液中活化TMV病毒表面，接着用NiCl2，Na2B4O7，二甲胺硼烷电解液沉积上镍纳米线，再用氟硅烷修饰得超疏水表面，最后，将模板放在超疏水表面用等离子体轰击形成超疏水/超亲水图案化非均匀性润湿性表面【ACS Appl.Mater.Interfaces.，2016，8(8)：5729-5736】。现有的非均匀润湿性表面制备技术及方法追求图案化，制备工艺及方法复杂，基底受限单一，成本高昂，不宜大面积应用，因此制备可以大面积应用的非均匀润湿性表面迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术涉及的是一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层及其制备方法。本专利技术的技术方案为：一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，对纳米SiO2溶胶进
行氟硅烷改性，获得超疏水涂层喷涂溶液，将超亲水性的单分散球式纳米SiO2溶液、硅微粉、玻璃微珠的任意一种或多种混合物加入到超疏水涂层喷涂溶液中，搅拌均匀，喷涂在洁净的基片上，固化后得到超亲水颗粒杂化的超疏水涂层；超亲水性颗粒为超疏水涂层中纳米SiO2溶胶质量的0.1～1倍。基片包括铜片、镍片、铝片、不锈钢片、玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯中的任意一种。基片形状包括平表面，曲面或异形表面。所述的超疏水涂层喷涂溶液是在20～40℃水浴条件下，将50～100质量份无水乙醇、1～5质量份氨水、5～10质量份去离子水加入到反应釜中，搅拌，逐滴加入0.5～5质量份的纳米SiO2溶胶，搅拌均匀后；将0.5～2质量份正硅酸四乙酯逐滴加入到溶液中，反应充分；最后将2～5质量份氟硅烷滴加到溶液中，搅拌反应获得。所述的纳米SiO2溶胶形貌是单分散链式、单分散球式。所述的超亲水性颗粒的述的超亲水性颗粒的粒径为单分散球式SiO2颗粒为100nm～10μm，其他微粒的粒径为10～60μm。所述的纳米SiO2溶胶粒径在10～100nm之间。制备所述的超亲水颗粒杂化的超疏水涂层的方法，所述方法包括下列步骤：(1)超疏水涂层溶液的制备：20～40℃水浴条件下，将50～100质量份无水乙醇、1～5质量份氨水、5～10质量份去离子水加入到反应釜中，搅拌，逐滴加入0.5～5质量份的纳米SiO2溶胶，搅拌均匀后；将0.5～2质量份正硅酸四乙酯逐滴加入到溶液中，反应充分；最后将2～5质量份氟硅烷滴加到溶液中，搅拌反应，获得超疏水涂层溶液；(2)超亲水颗粒杂化的超疏水涂层溶液的制备，将超亲水性颗粒加入到制备好的超疏水涂层溶液中，继续搅拌直至混合溶液均匀分散；(3)超亲水颗粒杂化的超疏水涂层的制备：采用喷涂、刷涂、浸涂、旋涂中的任意一种，将超亲水颗粒杂化的超疏水涂层溶液涂覆至洁净的基片表面，晾干后即获得超亲水颗粒杂化的超疏水涂层。当基片为金属基片时依次用800#、1000#、1500#砂纸打磨，机械抛光，随后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，冷风吹干得到洁净的基片。有益效果：(1)纳米SiO2颗粒改性后，获得了超疏水性，涂敷在基片上即可获得优异的超疏水性，对水滴的粘附性极低。在高湿度或低温条件下，超疏水涂层表面露滴呈滴状生长，且可轻易脱附。(2)采用传统方法在超疏水表面构建超亲水区，需要采用预先制备好的模版，通过紫外曝光、等离子体分解或改性、化学沉积、电沉积、气相沉积等技术，进行选区沉积、分解或去除，不但成本高、且工艺复杂，基底要求高，不能在曲面或柔性基底等进行处理，难以大规模应用。(3)本专利技术提出的超亲水颗粒掺杂，超疏水涂层仍然保持超疏水性，对水
滴的粘附性极低，而采用传统的选区沉积、分解或去除工艺，虽然可在超疏水表面构建超亲水区，获得图案化超浸润表面或非均匀润湿性表面或非对称润湿性表面，但这些方法制备的表面，水滴在超亲水区很难脱附，并显著增加了表面的液滴粘附性。(4)在高湿度或低温条件下，与超疏水涂层表面相比，超亲水颗粒掺杂后，表面露滴形核率显著提高，且仍呈滴状生长，并能轻易脱附，脱附时露滴尺寸也较小。超亲水颗粒掺杂的超疏水涂层表面总结露量和脱附量，均明显大于无掺杂的超疏水涂层表面，且单分散SiO2颗粒掺杂的效果更佳，这对促进集水效率、强化传热有重要意义。(5)本专利技术所述制备方法对基底要求低，金属、无机材料、聚合物等硬质或软质表面均可进行涂覆，且对平面或曲面也没有要求，设备简单、易操作，成本低廉，可大面积施工，在换热器、集水、海水淡化等领域有巨大的应用。附图说明：图1铜基底上纳米SiO2超疏水涂层的SEM。图2铜基底上纳米SiO2超疏水涂层的冷凝结露。图3水滴在玻璃基底上加入玻璃微珠颗粒杂化超疏水涂层的静态接触。图4水滴在微米阵列硅基底上加入单分散纳米SiO2颗粒杂化超疏水涂层的静态接触。图5聚氨酯基底上加入硅微粉颗粒杂化超疏水涂层的SEM。图6铜基底上加入单分散纳米SiO2颗粒杂化超疏水涂层的SEM。图7铜基底上加入硅微粉颗粒杂化超疏水涂层的SEM。图8铜基底三种涂层(超疏水涂层、单分散纳米SiO2颗粒杂化超疏水涂层、硅微粉颗粒杂化超疏水涂层)的形核密度图。图9集水试验结果图。具体实施方式本专利技术中所采用的均是质量份。一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层的制备方法，步骤为：(1)前处理：金属基底依次用800#、1000#、1500#砂纸打磨，机械抛光，随后次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15min，冷风吹干备用，基底可以为铜片、镍片、铝片、不锈钢片等金属基片，也可以是玻璃、陶瓷等无机材料，还可以是聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯等聚合材料，形状可以是平表面，也可以是曲面或异形表面；(2)超疏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，其特征在于，对纳米SiO2溶胶进行氟硅烷改性，获得超疏水涂层喷涂溶液，将超亲水性的单分散球式纳米SiO2溶液、硅微粉、玻璃微珠的任意一种或多种混合物加入到超疏水涂层喷涂溶液中，搅拌均匀，喷涂在洁净的基片上，固化后得到超亲水颗粒杂化的超疏水涂层；超亲水性颗粒为超疏水涂层中纳米SiO2溶胶质量的0.1～1倍。

【技术特征摘要】
1.一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，其特征在于，对纳米SiO2溶胶进行氟硅烷改性，获得超疏水涂层喷涂溶液，将超亲水性的单分散球式纳米SiO2溶液、硅微粉、玻璃微珠的任意一种或多种混合物加入到超疏水涂层喷涂溶液中，搅拌均匀，喷涂在洁净的基片上，固化后得到超亲水颗粒杂化的超疏水涂层；超亲水性颗粒为超疏水涂层中纳米SiO2溶胶质量的0.1～1倍。2.如权利要求1所述的超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，其特征在于，基片包括铜片、镍片、铝片、不锈钢片、玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯中的任意一种。3.如权利要求1所述的超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，其特征在于，基片形状包括平表面，曲面或异形表面。4.如权利要求1所述的超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，其特征在于，所述的超疏水涂层喷涂溶液是在20～40℃水浴条件下，将50～100质量份无水乙醇、1～5质量份氨水、5～10质量份去离子水加入到反应釜中，搅拌，逐滴加入0.5～5质量份的纳米SiO2溶胶，搅拌均匀后；将0.5～2质量份正硅酸四乙酯逐滴加入到溶液中，反应充分；最后将2～5质量份氟硅烷滴加到溶液中，搅拌反应获得。5.如权利要求4所述的超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，其特征在于，所述的纳米SiO2溶胶形貌是单分散链式、单分散球式。6.如权利要求1所述的超亲水颗粒杂化的超疏水涂层，其特征在于，所述的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：张友法，张静，王山林，曾佳，余新泉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32