一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于超疏水涂层制备技术领域，具体涉及一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层及其制备方法。利用聚偏氟乙烯的有机溶液和小分子量醇制备PVDF固态悬浮液A，然后在悬浮液A中加入ZIF纳米颗粒，之后再加入低表面能的氟化物获得超疏水涂层溶液；将超疏水涂层溶液涂覆在基底上，制备获得具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层。本发明专利技术提供了一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层，制备工艺简单,反应条件温和,可适用于多种不同的基底和大规模生产，热稳定性和化学稳定性好。超疏水涂层不仅对表面污染物具有自清洁功能，同时也可以杀死涂层表面的细菌，阻止生物膜的形成，在自清洁和抗菌领域具有极大的潜在应用价值。

A superhydrophobic coating with self cleaning and antibacterial function and its preparation method

The invention belongs to the technical field of super hydrophobic coating preparation, in particular to a super hydrophobic coating with self cleaning and antibacterial function and a preparation method. Polyvinylidene fluoride organic small molecular weight alcohol solution and preparation of PVDF solid suspension using A, then adding ZIF nanoparticles in suspension in A, then adding fluoride low surface energy obtained super hydrophobic coating solution; the super hydrophobic coating solution is coated on the substrate, prepared with super hydrophobic coatings cleaning and antibacterial function. The invention provides a super hydrophobic coating with self-cleaning and antibacterial function. The preparation process is simple, the reaction condition is mild, and it can be applied to many different substrates and large-scale production, and its thermal stability and chemical stability are good. Super hydrophobic coating not only has self-cleaning function for surface contaminants, but also can kill bacteria on the surface of coating, prevent biofilm formation, and has great potential application in the field of self-cleaning and antibacterial.

【技术实现步骤摘要】
一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层及其制备方法
本专利技术属于超疏水涂层制备
，具体涉及一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层及其制备方法。
技术介绍
仿生超疏水性表面的研究是化学模拟生物体系研究中的一个新领域。自然界中动植物通过形成超疏水表面来达到自洁功能的现象非常普遍,诸如荷叶、鸟类羽毛、水黾腿部以及蝴蝶翅膀等。其中最典型的例子就是出淤泥而不染的荷叶表面，具有极强的自清洁能力,被人们称之为荷叶效应(lotuseffect)。荷叶表面由许多乳突构成，乳突的平均直径为5～9μm。水在该表面上的接触角和滚动角分别为161.0±2.7°和2°。每个乳突是由平均直径为124.3±3.2nm的纳米结构分支组成。在荷叶的下一层表面同样存在纳米结构，它可以有效地阻止荷叶的下层被润湿。这些纳米结构，尤其是微米乳突上的纳米结构，对超疏水性起到重要的作用，自清洁的特征是由粗糙表面上微纳米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的。荷叶表面的超疏水现象为制备仿生超疏水性表面提供了实践基础。仿生超疏水表面材料具有特殊微纳米结构，因此表现出自清洁、防污染等一系列优异性能。在荷叶、水黾腿、蝴蝶翅膀等自然界中超疏水性组织和器官的启发下，仿生超疏水表面材料的设计和研发的目标不仅在于模仿生物的功能结构，更主要的是制备组分和结构均可调的超疏水表面，从而获得既有疏水自清洁性，同时强度、耐热、耐酸碱等性能又十分优异的新材料。该类材料在国防、工业、农业、医学和日常生活中均有广阔的应用前景。固体表面的润湿性由其化学组成和微观几何结构共同决定。众所周知,润湿性能主要受固体表面化学组成的影响，固体表面自由能越大，就越容易被一些液体所润湿,反之亦然。超疏水表面的制备常需在表面覆盖氟碳链或硅烷链来降低表面能。但是在光滑表面上光采用化学方法来调节表面自由能,通常仅能使接触角增加到120°而不能再高。要达到更高接触角，就必须设计材料的表面微细结构，具有微细粗糙结构的表面(相对小于液滴的微米尺度)将能有效地提高疏(亲)水表面的疏(亲)水性能。聚偏氟乙烯是一种新型的氟碳热塑性树脂，具有优良的加工性能、机械强度、热稳定性以及优异的化学稳定性,并且其表面能较低，因此被广泛用作超疏水材料。超疏水表面可以防止液体和固体颗粒的粘附，但易被水中的有机物和微生物污染。许多研究都集中在这些表面的自清洁性能上，却忽略了抗菌性的研究。因此，同时具备自清洁功能和抗菌功能的超疏水涂层更加具有使用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，利用聚偏氟乙烯的有机溶液和小分子量醇制备PVDF固态悬浮液A，然后在悬浮液A中加入ZIF纳米颗粒，之后再加入低表面能的氟化物获得超疏水涂层溶液；将超疏水涂层溶液涂覆在基底上，制备获得具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层。其中，所述聚偏氟乙烯的有机溶液的质量浓度为2～5％，与小分量醇的质量比为1:9；ZIF纳米颗粒加入的量为悬浮液A质量的0.3～1.0％，低表面能氟化物的加入量为悬浮液A质量的0.5～1.5％。聚偏氟乙烯的有机溶液的溶剂优选为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的任意一种。所述的小分子量醇优选为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇、丁醇或戊醇中的任意一种。所述的ZIF纳米颗粒优选选择ZIF-8、ZIF-67和ZIF-7中的任意一种。ZIF纳米颗粒的制备优选但不限于如下进行：将金属盐溶解在X1溶剂中，将有机配体溶解在X2溶剂中，将两者混合搅拌，制得ZIF颗粒悬浮液，经离心、洗涤、干燥和研磨制得ZIF纳米颗粒。所述低表面能的氟化物优选为十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、九氟己基三甲氧基硅烷、九氟己基三乙氧基硅烷、五氟苯基三乙氧基硅烷中的任意一种。所述的基底优选为无纺布、棉布、滤纸、尼龙布、商业聚丙烯腈膜或聚苯乙烯膜中的任意一种。具体的，超疏水涂层溶液的制备过程如下：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶液滴加到小分子量醇中，充分混合10～20min，随后超声处理20～40min制备微米级的PVDF固态悬浮液A；然后在悬浮液A中加入ZIF纳米颗粒，充分混合10～20min，随后超声处理30～60min；最后加入低表面能的氟化物，搅拌10-12h后得到超疏水涂层溶液。将超疏水涂层溶液涂覆在基底上时，可以采用浸渍、旋涂、喷涂和滴涂中的任意一种。经过超疏水涂层溶液处理过的基底可以通过50～100℃加热蒸干，也可以自然晾干。具体的，本专利技术一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)ZIF纳米颗粒的制备：将金属盐溶解在溶剂X1中，将有机配体溶解在X2溶剂中，将两者混合搅拌，可制得ZIF颗粒悬浮液，经离心、洗涤、干燥和研磨制得ZIF粉末；(2)超疏水涂层溶液的制备：将质量分数为2～5％的聚偏氟乙烯(PVDF)溶液滴加到小分子量醇中，PVDF溶液与小分子量醇的质量比为1:9。经过剧烈搅拌10～20min，随后超声处理20～40min，以此制备微米级的PVDF固态悬浮液；然后在悬浮液中加入质量分数为0.3～1.0％的ZIF纳米颗粒，剧烈搅拌10～20min，超声处理30～60min，最后加入质量分数为0.5～1.5％的具有低表面能的氟化物，磁力搅拌12h后，得到超疏水涂层溶液；(3)超疏水涂层的制备：将涂层溶液通过沉积技术涂覆于基底上，通过加热蒸发或自然挥发的方法即可制备具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层。在众多抗菌材料中，沸石咪唑骨架(ZIF)是一类重要的有机-无机混合结晶多孔材料，具有表面积大，结晶度高，孔体积大、孔径尺寸可调、热稳定和化学稳定等优点。其制备方法已经是现有技术，此处不再详细赘述。由于ZIF纳米粒子具有优异的热稳定性和化学稳定性，在溶液中可以相对稳定的存在，并逐渐缓慢的释放出具有抗菌作用的金属离子和有机配体，从而可以达到长期持续抗菌的目的。本专利技术基于ZIF纳米颗粒制备超疏水涂层，表面具有微纳米复合结构，将2微升水滴加在涂层表面，其接触角为159～166°，滚动角小于5°，因为极高的静态接触角以及较小的滚动角赋予超疏水涂层优异的自清洁能力。此外，相对于已经广泛使用的Ag颗粒和TiO2颗粒，ZIF纳米颗粒具有极好的抗菌效果，且生产成本相对较低，在常温条件下即可实现抗菌功能，不需要紫外等附加条件。作为一种新型的多功能超疏水涂层，有望在自清洁和抗菌领域获得广泛应用，所述涂层的抑菌率基本可达到100％。在超疏水涂层的制备过程中，将聚偏氟乙烯(PVDF)的溶液加入到小分子量醇中是进行相转化的过程，之后进行超声处理以制备PVDF胶体悬浮颗粒。随后在体系中加入ZIF纳米颗粒，通过超声和搅拌处理制备PVDF/ZIF-8复合胶体悬浮颗粒，再经过氟化物的修饰后即可制得超疏水抗菌给溶液。该涂层溶液可以通过滴涂、浸涂和喷涂等方法涂覆于不同的基底上。制得的涂层表面不仅具有粗糙的微纳结构且具有较低的表面能，因而具有极好超疏水性质，并展现出优异的自清洁功能和抗菌功能。本专利技术与现有技术相比，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，利用聚偏氟乙烯的有机溶液和小分子量醇制备PVDF固态悬浮液A，然后在悬浮液A中加入ZIF纳米颗粒，之后再加入低表面能的氟化物获得超疏水涂层溶液；将超疏水涂层溶液涂覆在基底上，制备获得具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层。

【技术特征摘要】
1.一种具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，利用聚偏氟乙烯的有机溶液和小分子量醇制备PVDF固态悬浮液A，然后在悬浮液A中加入ZIF纳米颗粒，之后再加入低表面能的氟化物获得超疏水涂层溶液；将超疏水涂层溶液涂覆在基底上，制备获得具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层。2.如权利要求1所述的具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯的有机溶液的质量浓度为2-5％，与小分量醇的质量比为1:9；ZIF纳米颗粒加入的量为悬浮液A质量的0.3～1.0％，低表面能氟化物的加入量为悬浮液A质量的0.5～1.5％。3.如权利要求1所述的具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述的小分子量醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇、丁醇或戊醇中的任意一种。4.如权利要求1所述的具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述的ZIF纳米颗粒选择ZIF-8、ZIF-67和ZIF-7中的任意一种。5.如权利要求1所述的具有自清洁和抗菌功能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述低表面能的氟化物为十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、九氟己基三甲氧基硅烷、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚涛，刘金盾，缪伟振，张翔，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41