陶瓷基仿生材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种陶瓷基仿生材料及其制备方法与应用。该制备方法包括用液态的树脂浇铸生物材料的表面，固化后将树脂与生物材料分离，得到树脂模板；将陶瓷浆料倒入所述树脂模板中，在80

【技术实现步骤摘要】
陶瓷基仿生材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及仿生工程及表面工程
，尤其涉及一种陶瓷基仿生材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]在海洋生态系统中，由工业意外漏油，社会生产活动以及科学探索研究所导致的油污污染问题日趋严重。与此同时，人们在这种受油污污染的水中的活动日益增多，因而在水下兼具低粘附性，超疏油性以及强韧性材料的研发已经引起了科学家们的热切关注。
[0003]近年来，依据鲨鱼皮，贝壳珍珠层，海藻等生物结构自身所拥有的疏油性能所仿生出来的具有高表面能的分层微/纳米突起结构表面被认为是最为杰出的水下超疏油表面之一，目前已有研究采用金属氧化物，聚电解质和聚合物水凝胶等制备水下超疏油表面材料。鱼鳞，虾壳，贝壳以及荷叶下表面等水中抗油生物表面的结构共同点在于表面具有微纳结构，且在空气中表现出亲水的浸润性。
[0004]虽然这些仿生材料具有优异的水中疏油性能，但材料的材质会限制疏油材料的应用，例如金属氧化物在海水中易被腐蚀，从而失去有效的疏油结构；又如聚电解质和聚合物水凝胶等流动态有机物虽然能够复刻生物材料的表面结构，但因其机械强度较差、有效结构易被外部机械力损毁，导致其优异的水中疏油性能容易失效。
[0005]陶瓷材料具有优异的机械性能，陶瓷表面的微观结构在过去的几十年中一直在探索中，例如激光烧蚀，微粉末注射成型等方法。但基于这些方法制作的陶瓷表面在微观特征的几何形状和尺寸上存在以下问题或限制：1.难以构造复杂微观曲面结构，2.微观结构尺寸受到限制，通常小于3
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3cm，并且往往很昂贵。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种超疏油的陶瓷基仿生材料及其制备方法与应用。该陶瓷基仿生材料的制备方法可以避免陶瓷材料在干燥过程中出现裂纹，且制备的仿生材料复刻了生物材料表面的微纳结构，同时具有由复刻微纳结构导致的相关性质。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种陶瓷基仿生材料的制备方法，其包括：
[0008]步骤一，用液态的树脂浇铸生物材料的表面，固化后将树脂与生物材料分离，得到树脂模板；
[0009]步骤二，将陶瓷浆料倒入所述树脂模板中，在80-90％RH(相对湿度)干燥成形，得到生坯；
[0010]步骤三，将所述生坯以1-1.5K
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的速率升温进行预烧结、再以10-15K
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的速率升温进行烧结，得到所述陶瓷基仿生材料。
[0011]在本专利技术的具体实施方案中，上述制备方法先将生物材料表面的微纳结构复刻到树脂中，然后将具有一定流动性和粘附性的陶瓷浆料铺散到树脂模板表面、并利用陶瓷浆
料对树脂模板的微观结构充分填充，得到完整复刻了生物材料表面微纳结构的陶瓷基仿生材料。由于固化后的树脂具有较低的表面张力，采用树脂作为中间模板，能够避免陶瓷材料直接以生物材料为模板复刻、在干燥过程中产生裂纹的问题。
[0012]在本专利技术的具体实施方案中，所述树脂在常温为液态、并能够在较长时间内保持一定流动性和低粘度、能够完全复刻生物材料表面的纳米级结构；经固化剂或加热处理后，所述树脂能够固化、完整保留复刻的生物材料的表面特征。所述树脂优选包括PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或polycraft K4半透明硅橡胶(厂家可以是：MB Fibreglass)中的一种。所述树脂更优选为PDMS，PDMS能够在室温下保持低于50cPs的粘度达12小时以上，其低粘度足够用于完全复制生物表面的纳米结构。
[0013]在本专利技术的具体实施方案中，所述生物材料一般是具有微纳结构表面的生物材料。本专利技术的实施方案可以采用具有水中疏油表面的生物材料、也可以采用具有微纳结构的空气中疏水表面的生物材料，例如玫瑰花瓣、荷叶等具有空气中疏水表面的生物材料。
[0014]在本专利技术的具体实施方案中，步骤一可以包括将所述液态的树脂及该树脂的固化剂浇铸在生物材料表面的操作。所述液态的树脂与所述固化剂的质量比可以控制为(1-10):1，例如，PDMS与PDMS的固化剂的质量比一般控制为10:1，Polycraft K4半透明硅橡胶与其固化剂的质量比一般控制为1:1。
[0015]在本专利技术的具体实施方案中，所述步骤一还可以包括对浇铸在生物材料表面的液态的树脂脱气、干燥的操作，液态的树脂一般在该干燥过程中完成固化，所述干燥的时间可以控制为24h-48h。所述脱气一般是真空脱气，防止树脂中存在气泡残留而影响对生物材料表面的复刻效果。所述脱气的时间可以控制为30min-60min，所述脱气可以在真空装置中进行，压强为-5MPa。
[0016]在本专利技术的具体实施方案中，步骤二中，所述陶瓷浆料中的固体颗粒的体积分数一般控制在25-30％，以使所述陶瓷浆料具有一定的流动性。固体颗粒的体积分数过小会导致干燥陶瓷浆料的时间过长，固体颗粒的体积分数过大不利于陶瓷浆料的完全铺散，进而影响到陶瓷浆料对树脂表面微纳结构的完整覆盖和复刻效果。
[0017]在本专利技术的具体实施方案中，步骤二中，所述陶瓷浆料一般是由陶瓷粉末分散在分散剂中形成的。所述陶瓷粉末一般是在空气中表现为亲水的粉末，具体可以包括氧化铝粉末、氧化铍粉末和二氧化钛粉末中的一种或两种以上的组合，所述分散剂可以包括聚丙烯酸(PAA)溶液或Dolapix ET 85(生产厂家可以是ZSCHIMMER&SCHWARZ)。所述陶瓷粉末的粒径一般控制为200nm-300nm。
[0018]在本专利技术的具体实施方案中，步骤二中，所述陶瓷浆料的制备方法一般包括：陶瓷粉末(例如氧化铝粉末)与分散剂(例如2-2.5wt％的聚丙烯酸碱性水溶液)混合，超声，滴加辛醇，得到所述陶瓷浆料，该陶瓷浆料的体积一般控制在40-60cm3。聚丙烯酸的碱性水溶液的pH一般为10-11。超声过程一般会使陶瓷浆料发生初步解聚，所述超声的功率可以控制为50W，超声的频率可以控制为26kHz，超声的放大率可以控制为60-65％，超声的时间可以控制为15min-20min。
[0019]在本专利技术的具体实施方案中，在制备陶瓷浆料的过程中，可以添加少量辛醇使陶瓷浆料脱气，避免出现气泡孔隙。所述辛醇的添加量一般控制为3-5滴，即5-10μL。
[0020]在本专利技术的具体实施方案中，所述陶瓷浆料的制备方法还可以包括将超声后的陶
瓷浆料滚压24h-36h，以使陶瓷浆料进一步解聚。
[0021]在本专利技术的具体实施方案中，步骤二中，对陶瓷浆料干燥过程中的干燥条件(如湿度等)进行控制，能够进一步避免材料在制备过程中裂纹的产生，从而增强陶瓷仿生材料的相关性能、提高其使用寿命。所述干燥成形的时间可以根据树脂模板的厚度和陶瓷浆料的高度进行调整，一般是将陶瓷浆料先在高湿度条件下干燥避免裂缝产生，再用低湿度条件干燥以缩短干燥时间。例如，所述干燥成形的过程可以包括在80-90％RH干燥至陶瓷浆料的顶部无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基仿生材料的制备方法，其包括：步骤一，用液态的树脂浇铸生物材料的表面，固化后将树脂与生物材料分离，得到树脂模板；步骤二，将陶瓷浆料倒入所述树脂模板中，在80-90％RH干燥成形，得到生坯；步骤三，将所述生坯以1-1.5K
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的速率升温进行预烧结、再以10-15K
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的速率升温进行烧结，得到所述陶瓷基仿生材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述树脂包括PDMS、PMMA或polycraft K4半透明硅橡胶中的一种，所述生物材料为具有微纳结构表面的生物材料；优选地，所述树脂为PDMS；优选地，所述生物材料具有水中疏油表面或空气中疏水表面；更优选地，所述生物材料包括玫瑰花瓣或荷叶。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤二中，所述陶瓷浆料中固体颗粒的体积分数为25-30％；优选地，所述陶瓷浆料是由陶瓷粉末分散在分散剂中形成的；更优选地，所述陶瓷粉末包括氧化铝粉末、氧化铍粉末和二氧化钛粉末中的一种或两种以上的组合，所述分散剂包括聚丙烯酸溶液或Dolapix ET 85；更优选地，所述陶瓷粉末的粒径为200nm-300nm；进一步优选地，所述陶瓷浆料的制备方法包括：将陶瓷粉末与所述分散剂混合，超声，滴加辛醇，得到所述陶瓷浆料。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其中，步骤二中，所述干燥成形的过程还包括在80-90％RH干燥后继续在40-50％RH干燥；优选地，在80-90％RH干燥的时间为24h-36h，在40-50％RH干燥的时间为3d-4d；优选地，步骤二中的干燥的温度为20-30℃。5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤三中，所述预烧结的温度为500-600℃，所述预烧结的时间为1h-1.5h；步骤三中，所述烧结的温度为1150-1600℃，所述烧结的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕静，李明，管晴雯，祁碧菽，爱德华多，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：