一种耐磨超疏水薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐磨超疏水薄膜的制备方法，首先通过电沉积技术在金属基体上制备一层机械强度高、结合力好，且具有高度多孔结构的SiO2薄膜，然后通过电泳技术，将经过表面修饰的超疏水性纳米SiO2粉末填充在上述SiO2薄膜的孔道中，从而制备得到具有优异耐磨性能的超疏水薄膜。所述的超疏水性纳米SiO2粉末由纳米级SiO2粉末和长链有机硅烷如十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷或含氯、氟等疏水性硅烷，如十八烷基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷等，在碱性条件下发生接枝改性制得。本发明专利技术提供的上述制备超疏水薄膜的方法操作简单、成本较低、条件温和，有望大规模应用于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及耐磨超疏水薄膜的温和制备，尤其涉及一种耐磨超疏水二氧化硅薄膜的制备方法。
技术介绍
超疏水材料，是指接触角大于150°，滚动角小于10°的一种特殊材料。近年来，利用其特殊的“不沾水”特性，超疏水材料已经在很多方面得到广泛应用，如表面自清洁、表面防冻、金属防护等领域。然而，采用常规方法制备所得的超疏水薄膜材料多数存在机械性能不佳、耐磨性不好等缺点，很大程度上限制其实际应用。目前通过两种基本方法制备具有良好耐磨性能的超疏水表面。一是采用柔性材料(如织物、棉花等)作为基体可显著提高其表面构筑的超疏水表面的耐磨性能(Adv.Mater.,2012,24,2409.)；二是在硬质材料表面采用刻蚀减薄的方法制备得到与基体材料具有相同耐磨性能的超疏水表面(J.Mater.Chem.A,2016,4,3406)。然而，上述第一种方法存在耐热性能有限的缺点，第二种方法由于是一种有损技术，对基体造成破坏。
技术实现思路
本专利技术针对先前耐磨性超疏水表面制备中存在的上述问题，提出以机械强度高、结合力好，且具有高度多孔结构的电沉积SiO2薄膜为基体骨架，进而通过电泳技术将超疏水的纳米SiO2粉末均匀分散地填充到上述牢固骨架中，制备得到新型耐磨超疏水表面。通过如下技术方案来实现的：一种耐磨超疏水薄膜的制备方法，包括以下步骤：1)金属基体经砂纸打磨至600目后，在乙醇中超声10分钟后取出，经自来水、去离子水清洗烘干后放入60℃恒温干燥箱内待用；2)量取乙醇50mL，0.2MNaNO350mL，混合后，加入正硅酸四乙酯5mL，溶液的pH调节在4.5，磁力搅拌12h后备用。3)采用三电极体系在金属基体上电沉积一层机械强度高、结合力好，且具有高度多孔结构的SiO2薄膜，其中工作电极为金属基体，Pt片、Ag/AgCl(饱和KCl)电极分别作为对电极和参比电极，施加的电位为-1.0V～-2.0V，电沉积时间为200～600s。3)称取2g纳米级SiO2粉末分散在100mLpH＝8的氨水溶液中，磁力搅拌1h后备用；在另一容器中加入5mL疏水性长链硅烷分散在100mL乙醇中，磁力搅拌1h后备用，将后一溶液逐滴加入到前一溶液中，磁力搅拌6小时后形成均一的悬浊液，陈化4小时后，离心分离，得到的白色粉末在60℃烘箱中干燥，得到超疏水的SiO2粉末；4)称取质量分数为0.1％～10％的超疏水SiO2粉末分散到非极性有机溶剂中，超声分散10min后，得到电泳液；5)在直流电源上，采用两电极体系在电泳液中进行电泳沉积，以覆盖了电沉积SiO2薄膜的金属基体作为正极，Pt电极作为负极，两电极间距35mm，电压控制在5～80V，电泳时间控制在1～10min，电泳结束后，将样品置于60℃的烘箱内烘干，得到超疏水薄膜。上述技术方案中，所述的金属基体包括镀锌钢、铝、镁、钛、不锈钢、低碳钢或其他导电金属以及合金。所述的用于制备超疏水纳米二氧化硅粉末的疏水性长链硅烷包括十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷或含氯、氟等疏水性硅烷，如十八烷基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷等。所述的电泳溶液的溶剂为正己烷、十六烷或者其他非极性有机溶剂。本专利技术的优点与有益效果：(1)以资源众多、环境友好的二氧化硅类材料作为原料；(2)采用机械强度高、结合力强、多孔性高的电沉积SiO2薄膜作为基体骨架，确保耐磨性能；(3)采用电泳技术将超疏水二氧化硅粉末均匀分散填充到整个多孔骨架中，确保不同磨损深度下的超疏水性能；同时，电泳法具有资源利用率高及工艺简单等优点；(4)由于复合薄膜均由无机氧化物组成，同时具有良好的耐热性能；(5)本专利技术方法操作简单，重复性好，材料成本较低，对设施要求低，有望大规模工业化应用。附图说明图1(a)电沉积SiO2薄膜的光学照片及其接触角照片(基体为铝合金AA2024-T3)；(b)以电沉积SiO2薄膜为基体，进而电泳沉积超疏水的SiO2粉末后的光学照片及其接触角照片(金属基体为铝合金AA2024-T3)。图2以裸铝合金(1)和预先电沉积了SiO2薄膜(2)的铝合金为基体，进而电泳沉积超疏水的SiO2粉末后得到的超疏水薄膜的耐磨性测试结果(压力：0.6kPa；砂纸目数：1200；每个循环的摩擦长度：16cm)。具体实施方式一种耐磨超疏水薄膜的制备方法，包括以下步骤：1)金属基体经砂纸打磨至600目后，在乙醇中超声10分钟后取出，经自来水、去离子水清洗烘干后放入60℃恒温干燥箱内待用；2)量取乙醇50mL，0.2MNaNO350mL，混合后，加入正硅酸四乙酯5mL，溶液的pH调节在4.5左右，磁力搅拌12h后备用。3)采用三电极体系在金属上电沉积一层机械强度高、结合力好，且具有高度多孔结构的SiO2薄膜，其中工作电极为金属基体，Pt片、Ag/AgCl(饱和KCl)电极分别作为对电极和参比电极，施加的电位为-1.0V～-2.0V，电沉积时间为200～600s。3)称取2g纳米级SiO2粉末分散在100mLpH＝8的氨水溶液中，磁力搅拌1h后备用；在另一容器中加入5mL疏水性长链硅烷分散在100mL乙醇中，磁力搅拌1h后备用，将后一溶液逐滴加入到前一溶液中，磁力搅拌6小时后形成均一的悬浊液，陈化4小时后，离心分离，得到的白色粉末在60℃烘箱中干燥，得到超疏水的SiO2粉末；4)称取质量分数为0.1％～10％的超疏水SiO2粉末分散到非极性有机溶剂中，超声分散10min后，得到电泳液；5)在直流电源上，采用两电极体系在电泳液中进行电泳沉积，以覆盖了电沉积SiO2薄膜的金属基体作为正极，Pt电极作为负极，两电极间距35mm，电压控制在5～80V，电泳时间控制在1～10min，电泳结束后，将样品置于60℃的烘箱内烘干，得到超疏水薄膜。所述的金属基体包括镀锌钢、铝、镁、钛、不锈钢、低碳钢或其他导电金属以及合金。所述的用于制备超疏水纳米二氧化硅粉末的长链硅烷包括十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷或含氯、氟等疏水性硅烷，如十八烷基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷等。所述的电泳溶液的溶剂为正己烷、十六烷或者其他非极性有机溶剂。实施例1基体采用商用的铝合金基体AA2024-T3，经砂纸打磨至600目后，在乙醇中超声10分钟后取出，经自来水、去离子水清洗烘干后放入60℃恒温干燥箱内待用。疏水性SiO2粉末的制备：溶液1组成：称取1g纳米SiO2粉末分散在100mLpH＝8的溶液中，其中溶液pH的控制是采用氨水进行调节，磁力搅拌1h后备用；溶液2组成：将5mL的十二烷基三甲氧基硅烷分散在100mL乙醇中，磁力搅拌1h后备用。将上述溶液2逐滴加入到溶液1中，磁力搅拌6小时后形成均一的悬浊液，陈化4小时备用。离心分离后(转速控制在10000r/min，分离时间为10min)，弃去上清液后，将所得粉末置于60℃的鼓风干燥箱内进行干燥，最终得到超疏水SiO2粉末备用。电泳溶液的配制：称取上述制备的超疏水SiO2粉末分散到正己烷中，其中SiO2的质量分为0.1％，超声分散10min后备用。电沉积SiO2前驱体溶液的配制：量取乙醇50mL，0.2MNaNO350mL，混合后，加入正硅酸四乙酯5mL，溶液的pH调节为4.5左右，磁力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐磨超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)金属基体经砂纸打磨至600目后，在乙醇中超声10分钟后取出，经自来水、去离子水清洗烘干后放入60℃恒温干燥箱内待用；2)量取乙醇50mL，0.2M NaNO3 50mL，混合后，加入正硅酸四乙酯5mL，溶液的pH调节在4.5，磁力搅拌12h后备用。3)采用三电极体系在金属基体上电沉积一层多孔结构的SiO2薄膜，其中工作电极为金属基体，Pt片、Ag/AgCl(饱和KCl)电极分别作为对电极和参比电极，施加的电位为‑1.0V～‑2.0V，电沉积时间为200～600s；3)称取2g纳米级SiO2粉末分散在100mL pH＝8的氨水溶液中，磁力搅拌1h后备用；在另一容器中加入5mL疏水性长链硅烷分散在100mL乙醇中，磁力搅拌1h后备用，将后一溶液逐滴加入到前一溶液中，磁力搅拌6小时后形成均一的悬浊液，陈化4小时后，离心分离，得到的白色粉末在60℃烘箱中干燥，得到超疏水SiO2粉末；4)称取质量分数为0.1％～10％的超疏水SiO2粉末分散到非极性有机溶剂中，超声分散10min后，得到电泳液；5)在直流电源上，采用两电极体系在电泳液中进行电泳沉积，以覆盖了电沉积SiO2薄膜的金属基体作为正极，Pt电极作为负极，两电极间距35mm，电压控制在5～80V，电泳时间控制在1～10min，电泳结束后，将样品置于60℃的烘箱内烘干，得到超疏水薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种耐磨超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)金属基体经砂纸打磨至600目后，在乙醇中超声10分钟后取出，经自来水、去离子水清洗烘干后放入60℃恒温干燥箱内待用；2)量取乙醇50mL，0.2MNaNO350mL，混合后，加入正硅酸四乙酯5mL，溶液的pH调节在4.5，磁力搅拌12h后备用。3)采用三电极体系在金属基体上电沉积一层多孔结构的SiO2薄膜，其中工作电极为金属基体，Pt片、Ag/AgCl(饱和KCl)电极分别作为对电极和参比电极，施加的电位为-1.0V～-2.0V，电沉积时间为200～600s；3)称取2g纳米级SiO2粉末分散在100mLpH＝8的氨水溶液中，磁力搅拌1h后备用；在另一容器中加入5mL疏水性长链硅烷分散在100mL乙醇中，磁力搅拌1h后备用，将后一溶液逐滴加入到前一溶液中，磁力搅拌6小时后形成均一的悬浊液，陈化4小时后，离心分离，得到的白色粉末在60℃烘箱中干燥，得到超疏水SiO2粉末；4)称取质量分...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡吉明，张雪芬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33