动态可逆调控固体材料表面润湿性的方法技术

本发明专利技术涉及动态可逆调控固体材料表面润湿性的方法。固体表面经过层层静电组装后保持在最外层为聚阳离子物质或聚阴离子物质，再将所得固体材料浸入在一系列阴离子或阳离子具有不同水合能的电解质水溶液中，经过相应抗衡离子交换后该材料的表面润湿性能即随着表面交换的抗衡离子不同而发生相应改变，从而可以制备一系列表面润湿性从超亲水到超疏水的固体材料。本发明专利技术工艺简单，操作方便，在表面处理、包装、卫生用品等领域展示出广阔的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料表面润湿性处理
，涉及动态可逆调控固 体材料表面润湿性的方法。
技术介绍
润湿是自然界中广为存在的现象之一，也与人类日常生活和工业 生产息息相关。例如农药喷雾、机械润滑、摩擦、洗涤、镜面防雾、 印染、印刷、微流体、各种涂层的涂布等等，这些现象都跟润湿过程 有着密切关系。与此同时，去润湿材料也在应用领域中有着举足轻重 的地位，例如矿物浮选、防水、抗污、自清洁、减阻、液体无损失输 送等领域则要求形成不被润湿的表面。因此，如果能动态地改变材料 表面润湿性，则将大大扩展材料的应用领域，提高其使用性能。这种 具有响应性、可逆性的表面近年来一直广受关注，可以作为"开关" 材料应用于许多工业领域，例如在微流体、功能性布料、温控过滤、 可控药物释放、各向异性润湿、可控性润湿、智能输运等方面均有重 要的应用价值。己有很多在表面润湿性改性方面的文献及专利。例如 有报告称(Omar Azzaroni, Andrew A. Brown, and Wilhelm T. S. Huck Tunable Wettability by Clicking Counterions Into Polyelectrolyte Brushes Adv. Mater. 2007， 19, 151 )，在表面修饰聚阳离子刷层的时候， 通过电荷配对作用，聚电解质刷层中的带正电基团季铵离子(QA+) 在不同的电解质溶液中能够交换吸附对应阴离子形成不同正负离子 对，刷层表面的亲疏水性能随着所吸附的阴离子的水合能的不同而 异，其变化范围能达75。。在专利(US2008033106-A1)中，Koroskenyi， B.等发现通过将两亲性嵌段共聚物引入到疏水性的纤维，无纺织物等 表面可以起到改进疏水表面润湿性的作用，该两亲性嵌段共聚物中亲 水链段含有一个带正电的单体单元而疏水链段则由疏水的不饱和烯 烃单体组成，通过调节亲水链段与疏水链段的组成等特性即可使表面 的润湿性发生改变。以上方法均可调节表面润湿性能，但同时也存在工艺复杂、操作困难或对材料表面性质有特殊的要求等缺点，而且所 得的表面润湿性变化的范围还不是太大。基于对这些不足的认识及克 服，我们提出了利用层层静电组装修饰材料表面再结合表面离子交换 作用来简单而又有效地改变固体材料表面的润湿性。
技术实现思路
聚电解质超薄膜因其能够简单地通过聚阳离子与聚阴离子交替 组装而获得，被广泛研究及应用于工业应用领域中，例如发光二极管， 选择性透过膜，导电层结构，生物传感器，非线性光学材料，包裹捕 获技术及化学传感器等等。我们首先通过层层静电组装在固体材料表 面覆盖聚电解质超薄膜，然后利用聚电解质膜表面存在的抗衡离子， 通过离子交换系统调节表面润湿性能。本专利技术的的步骤及条 件如下(1)在材料表面组装聚电解质用已知技术，依照文献(G. Decher, J. B. Schlenoff, Multilayer Thin Film—Sequential Assembly of Nanocomposite Materials, Weinheim: Wiley-VCH, 2003.)的方法在表面带有电荷的材料上组装聚电解质单 层或多层膜，聚电解质膜的最外层为聚阳离子材料或聚阴离子材料均 可；所述的表面带有电荷的材料为表面自身带有或经过处理后带有 电荷的非金属固体材料或金属材料，所述的非金属固体材料是任意外 形的Si、石英、云母、橡胶、塑料或树脂；所述的金属材料是任意外 形的金、银、铁、铜、锌、镍、不锈钢、铝合金或钛合金；所述的聚阳离子材料优选聚丙烯胺(PAH)、聚乙烯亚胺、聚乙 烯基吡啶、或聚二烯丙基二甲基胺盐(PDDA);所述的聚阴离子材料优选聚苯乙烯磺酸盐(PSS)或聚丙烯酸盐 (PAcA);为了优化组装聚电解质的性能，在聚电解质溶液中加入无机盐以 调节溶液的离子强度；所述的无机盐优选碱金属盐、铵盐、氯盐、溴盐、碘盐、硝酸盐、硫酸盐；其浓度一般在于0.001-5mol/L，最佳区间在于0.01-lmol/L;(2)表面抗衡离子交换达到动态可逆调控固体材料表面润湿性 用以交换抗衡离子的水溶性的盐的浓度为0.00001-5mol/L， 一般为0.001-lmol/L，最佳区间为0.01-0.5mol/L;a、 通过步骤(1)的方法在表面带有电荷的材料表面组装了聚电 解质膜，当其最外层为聚阳离子时，其表面存在抗衡阴离子，(理论上可为任何阴离子， 一般多为r、 cr、 Bf，其中最常见为cr。)将表 面组装了聚电解质膜的材料置于水溶性的盐溶液中，膜表面的抗衡阴离子与盐溶液中的阴离子发生交换吸附，浸泡时间为0.1秒至60小时， 更合适的时间为1秒至3小时，最佳区间为3-60秒钟，完成了固体材料 表面润湿性的调控，-上述得到的材料取出后，膜表面润湿性能即随着交换到其表面的 阴离子水合能大小的不同而异，交换的阴离子的水合能越大，则表面 越易润湿；交换的阴离子的水合能越小，表面润湿性能也越差；当膜最外层为聚阳离子时，用以交换其抗衡离子的水溶性盐，其 阴离子为含氟原子数大于3的阴离子、含有机官能团的阴离子、磷酸 根、氯离子、溴离子、碘离子、硫氰酸根、高氯酸根或络阴离子，则 得到一系列亲疏水性能大小不同的表面；或者，b、 其最外层为聚阴离子时，其表面存在抗衡阳离子，(理论上可 为任何阳离子， 一般多为Na+、 K+、 NH4+，其中最常见为Na+。)将表 面组装了聚电解质膜的材料置于水溶性的盐溶液中，膜表面的抗衡阳 离子与盐溶液中的阳离子发生交换吸附，浸泡一段时间， 一般为O.l 秒至60小时，更合适的时间为1秒至3小时，最佳区间为3-60秒钟，完 成了固体材料表面润湿性的调控；上述得到的材料取出后，膜表面润湿性能即随着交换到其表面的 阳离子水合能大小的不同而异，交换的阳离子的水合能越大，则表面 越易润湿；交换的阳离子的水合能越小，表面润湿性能也越差；当膜最外层为聚阴离子时，用以交换其抗衡离子的水溶性盐，其阳离子为含氟原子数大于3的阳离子、金属离子、有机铵离子、含或 不含取代基的咪唑离子、含或不含取代基的吡啶离子或络阳离子，则 得到一系列亲疏水性能大小不同的表面；实际可用于交换离子的水溶性盐并不局限于且远远超过以上所举各例；步骤(2)可以多次进行，每次使用不同的盐溶液。 应该强调的是，将交换过特定离子的具有特定润湿性的聚电解质 膜再次浸入到非该特定离子的其它水溶性盐溶液中，表面再次交换该 溶液中的离子，通过反复交换一系列不同盐溶液中的离子来获得对应 于所交换的离子的特定的润湿性能，表面的润湿性能会随着再次交换 的离子水合能的变化而发生变化。经过步骤(2)后得到的材料表面润湿性即随着表面所交换的抗 衡离子的水合能力不同而异。本专利技术的优点工艺简单，操作方便，环保无污染。克服了 其它各种方法工艺复杂难控制的弱点，适用对象范围十分广范。 利用接触角仪、X射线光电子能谱等仪器对在Si片上制备层状组 装聚电解质薄膜(PDDA/PSS) 3PDDA及其后的表面改性过程进 行了测试与表征。聚电解质PDDA中所加入的NaCl的浓度对组装 后表面亲疏水性能的影响见图l，证实在NaCl浓度为1.0mol/L时， 表面润湿性的改本文档来自技高网...

【技术保护点】
动态可逆调控固体材料表面润湿性的方法，其特征在于，步骤和条件如下：（１）在材料表面组装聚电解质　用已知技术，依照文献（Ｇ．Ｄｅｃｈｅｒ，Ｊ．Ｂ．Ｓｃｈｌｅｎｏｆｆ，Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ－－Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　 　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｏｆ　Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ：Ｗｉｌｅｙ－ＶＣＨ，２００３．）的方法在表面带有电荷的材料上组装聚电解质单层或多层膜，聚电解质膜的最外层为聚阳离子材料或聚阴离子材料均可；　 　所述的表面带有电荷的材料为表面自身带有或经过处理后带有电荷的非金属固体材料或金属材料，所述的非金属固体材料是任意外形的Ｓｉ、石英、云母、橡胶、塑料或树脂；所述的金属材料是任意外形的金、银、铁、铜、锌、镍、不锈钢、铝合金或钛合金；　 （２）表面抗衡离子交换达到动态可逆调控固体材料表面润湿性　用以交换抗衡离子的水溶性的盐的浓度为０．００００１－５ｍｏｌ／Ｌ；　ａ、通过步骤（１）的方法在表面带有电荷的材料表面组装了聚电解质膜，当其最外层为聚阳离子时，其表面存在抗 衡阴离子，将表面组装了聚电解质膜的材料置于水溶性的盐溶液中，膜表面的抗衡阴离子即与盐溶液中的阴离子发生交换吸附，浸泡时间为０．１秒至６０小时，更合适的时间为１秒至３小时，最佳区间为３－６０秒钟，完成了固体材料表面润湿性的调控；　ｂ、其 最外层为聚阴离子时，其表面存在抗衡阳离子，将表面组装了聚电解质膜的材料置于水溶性的盐溶液中，膜表面的抗衡阳离子即与盐溶液中的阳离子发生交换吸附，浸泡一段时间，一般为０．１秒至６０小时，更合适的时间为１秒至３小时，最佳区间为３－６０秒钟，完成了固体材料表面润湿性的调控；　步骤（２）可以多次进行，每次使用不同的盐溶液。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：乔建强，苏朝晖，汪黎明，昝兴杰，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]