本发明专利技术涉及一种具有阶层粗糙结构的超疏水材料，其特征在于：基底材料表面具有二次粗糙结构的金属氧化物微球，其外表面再修饰有低表面能物质层。本发明专利技术进一步涉及所述材料的制备方法和用途。本发明专利技术具有阶层粗糙结构的超疏水材料制备工艺简单、材料稳定性好，在自清洁、防水防污、减阻降噪、油水分离等领域具有优异效果。效果。效果。
【技术实现步骤摘要】
具有阶层粗糙结构的超疏水材料及其制备方法和用途
[0001]本专利技术属于纳米复合材料制备领域，特别涉及一种具有阶层粗糙结构的超疏水材料及其制备方法和用途。
技术介绍
[0002]超疏水材料因其优异的拒水性能，在自清洁、防水防污、减阻降噪音、水处理等领域表现出了广阔的应用前景。然而，采用传统的氟和硅材料对固体材料表面进行简单的涂覆，难以实现材料的超疏水性能。
[0003]研究表明，材料表面的疏水性是由表面能和表面粗糙度决定的。所以提高膜表面的疏水性，就要提高粗糙度和降低表面能。
[0004]目前表面涂覆改性的方法，大多涂覆材料多是含氟的低表面能材料，这种材料不但有毒而且昂贵。而表面接枝改性又会对膜本体造成一定的破坏，使得膜强度下降。目前对于超疏水表面的构建通常采用表面能较低的涂层材料，用物理化学方法制造出微米甚至纳米级别的粗糙结构，亦或是先构建表面的微纳米级粗糙结构再降低其表面能。基于此原理，已有气相沉积法、化学刻蚀法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、层层自组装法、喷涂法等多种构造超疏水表面的方法。
[0005]CN106811957A公开了一种乳液分离的超疏水表面的制备方法，该方法首先制备二氧化硅颗粒，再加入硅烷偶联剂获得超疏水涂层液，最后将织物浸渍在超疏水涂层液中，干燥，构筑具超疏水的织物表面。
[0006]CN201710904266.2公开了一种制备超疏水材料的方法，将基底材料浸泡在二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铈(CeO2)纳米粒子的前驱体溶液、含纳米粒子的溶液或含纳米粒子的液溶胶中处理，干燥，得微米
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纳米复合粗糙结构的基底材料，然后于硅烷偶联剂溶液或氟硅烷溶液中浸泡干燥。
[0007]CN104802488A公开了用于油水分离的具有阶层粗糙结构的超疏水涂层的制备方法，通过层层静电自组装的方法在不锈钢筛网表面组装了10
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50nm和70
‑
500nm两种粒径的球形SiO2纳米粒子，再修饰一层低表面能物质而获得了超疏水的涂层。
[0008]上述方法大多是首先将纳米颗粒制备出来，然后再通过混合和涂覆来构筑粗糙度，在此过程中纳米颗粒容易聚集，造成重复性差、材料的浪费，虽然静电自组装方法在一定程度上可以避免纳米的颗粒的团聚和聚集，但是静电相互作用，纳米颗粒和基底的结合度和稳定性较差。
[0009]针对上述问题，本专利技术提供了一种具有特殊粗糙结构的超疏水材料，其中纳米颗粒在基材表面原位生长，以化学键与基底连接，不易脱落，并且原位成核结晶避免了颗粒团聚。
技术实现思路
[0010]本专利技术的目的在于提供一种具有阶层粗糙结构的超疏水材料，包括基底材料和在
基底材料表面原位生长的金属氧化物微球，且所述微球外表面进一步修饰有低表面能物质层。
[0011]其中所述金属氧化物微球由粒径为3
‑
10nm的金属氧化物纳米粒子构成，微球的直径在30
‑
500nm范围。所述金属氧化物微球使得所述超疏水材料表面表现为粗糙结构，同时所述金属氧化物纳米粒子使得该微球表面同样表现为类草莓状的粗糙结构，由此，所述金属氧化物微球和组成该微球的金属氧化物纳米粒子构筑的双重粗糙度使得所述超疏水材料表面具有阶层粗糙结构(也可称为二次粗糙结构)。
[0012]所述金属氧化物包括二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铈(CeO2)和四氧化三铁(Fe3O4)。
[0013]所述低表面能物质材料可以选自三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲基硅氧烷、十八烷基三氯硅烷(OTS)、六氟丁基丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、甲基丙烯酸十八烷基酯、硬酯酸中的任一种或多种。
[0014]所述基底材料可以为板材、纤维、织物或滤膜的形式，所述材料可以选自纤维素、纤维素衍生物、尼龙、聚醚砜、聚醚醚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈等。
[0015]相应地，所述超疏水材料可以作为板材、纤维、织物或滤膜的形式使用。
[0016]根据本专利技术的具有粗糙结构的超疏水材料的水接触角可以超过150
°
。
[0017]本专利技术进一步涉及本专利技术的具有阶层粗糙结构的超疏水材料的制备方法，包括如下步骤：
[0018](1)将基底材料进行碱液处理或者多巴胺涂层，在表面修饰羟基、氨基等官能团；
[0019](2)将步骤(1)所得表面带有羟基或氨基官能团的纤维或滤膜浸入包含有金属氧化物前驱体和溶剂的混合物中；
[0020](3)调节溶液pH；
[0021](4)在一定温度和常压下进行微波辐照反应一段时间；
[0022](5)之后，取出，冷却、洗涤、干燥；
[0023](6)在生长有金属氧化物的材料表面修饰低表面能物质。
[0024]步骤(1)中所述碱液处理或多巴胺涂层可以使用本领域技术人员已知的方法操作。
[0025]步骤(2)中所述金属氧化物前驱体可以为钛酸正丁酯、异丙醇钛、硫酸钛、硫酸氧钛、四氯化钛、正硅酸乙酯、硝酸铈盐、碳酸铈盐或氯化铁中的任一种或多种。所述二氧化钛前驱体和溶剂的体积比为1:(5
‑
200)，优选为1:(8
‑
150)，进一步优选为1:(10
‑
100)。所述溶剂为水和/或小分子醇的混合物。所述小分子醇的混合物为甲醇、乙醇或丙醇中的任意一种或至少两种的混合物。
[0026]步骤(3)中，所述pH值为1
‑
6，优选为2
‑
5。pH的调节可以通过加入盐酸、硫酸、乙酸或柠檬酸中的任意一种或至少两种的混合物进行，目的在于抑制金属氧化物前驱体的水解。
[0027]步骤(4)中，所述微波辐照反应的温度为50
‑
120℃，进一步优选为70
‑
100℃。
[0028]所述常压指的是0.5
‑
2个标准大气压的情况，优选为1个标准大气压。
[0029]所述微波辐照反应的输出功率为5
‑
500W，优选为20
‑
460W，进一步优选为50
‑
420W。
[0030]所述微波辐照反应的辐照时间为5
‑
120min，优选为10
‑
60min。
[0031]步骤(5)中，将步骤(4)所得产物冷却至室温；所述洗涤的溶剂为水和/或乙醇。所述干燥的方式为真空干燥，真空干燥的温度为30
‑
70℃，真空干燥的时间为1
‑
15h，优选为1
‑
12h。
[0032]所述低表面能物质的修饰方法包括化学气相沉积法(CVD)、浸渍涂层、接枝、静电喷雾方法。
[0033]本专利技术还涉及根据本专利技术的具有阶层粗糙结构的超疏水材料在自清洁、防水防污、减阻降噪、油水分离等领域的用本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有阶层粗糙结构的超疏水材料，包括基底材料和在基底材料表面原位生长的金属氧化物微球，且所述微球外表面进一步修饰有低表面能物质层。2.根据权利要求1所述的超疏水材料，其中所述基底材料选自纤维素、纤维素衍生物、尼龙、聚醚砜、聚醚醚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯腈；所述金属氧化物包括二氧化钛、二氧化硅、氧化铈和四氧化三铁。3.根据权利要求1所述的超疏水材料，其中所述金属氧化物微球由粒径为3
‑
10nm的金属氧化物纳米粒子构成，微球的直径在30
‑
500nm范围。4.根据权利要求1所述的超疏水材料，其中所述低表面能物质材料选自三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲基硅氧烷、十八烷基三氯硅烷、六氟丁基丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、甲基丙烯酸十八烷基酯、硬酯酸中的任一种或多种。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的超疏水材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将基底材料进行碱液处理或者多巴胺涂层，在表面修饰羟基、氨基等官能团；(2)将步骤(1)所得表面带有羟基或氨基官能团的纤维或滤膜浸入包含有金属氧化物前驱体和溶剂的混合物中；(3)调节溶液pH；(4)在一定温度和常压下进行微波辐照反应一段时间；(5)之后，取出，冷却、洗涤、干燥；和(6)在生长有金属氧化物的材料表面修饰低表面能物质。6....
【专利技术属性】
技术研发人员：李望良，李艳香，杨玉洁，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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