一种耐摩擦的超疏水表面及其制备方法

本发明属于超疏水材料制备技术领域，具体涉及一种耐摩擦的超疏水材料及其制备方法。

背景技术：

由自然界中生物所启发的超疏水表面近些年收到不断关注，制备仿生超疏水表面的研究已有20年的长足发展，在防腐防污、防雾、自清洁、抗结冰、减阻微流体控制等方面均有着广泛地应用。目前仿生超疏水表面都是通过表面微纳米复合结构结合低表面能材料来获得超疏水的性质。这种疏水涂层或者微纳结构虽然疏水效果良好但是很容易被外界的磨损或剐蹭所破坏，因此这严重降低了超疏水表面的使用寿命以及限制了其在实际场景中的应用。目前来说，简单的微纳米复合结构结合低表面能修饰的方法已经无法满足这一需求，为了提升超疏水表面的耐摩擦能力，还需要一种巧妙而高效的设计思路和制备方法来准确实现耐摩擦的超疏水表面。基于上述分析，构思和寻找满足上述条件的设计思路以及制备材料和方法关系到超疏水表面的应用和发展前景。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明目的是提出一种耐摩擦的超疏水表面及其制备方法。将泡沫镍作为整个表面的金属框架，由于其具有机械稳定性和刚性等优点，在有摩擦等外力作用情况下可以作为“金属框架”保护所灌入的超疏水材料，而本发明对聚二乙烯基苯(pdvb)和聚二甲基硅氧烷(pdms)进行质量比例的一定调控，保证超疏水材料pdvb占据主导状态，pdms只起到粘合剂的作用。所制备的样品表面为超疏水，在双重作用下，用针尖刮擦、砂纸摩擦或者用刮板剐蹭等一些外力作用下超疏水表面依然保持良好的超疏水状态。这种耐摩擦的超疏水表面的制备方法具有方法简便、适用场景广、实用性强、机械稳定性强、成本低廉等诸多优点，本发明适用于户外的一些环境恶劣的条件中。

本发明通过如下技术方案实现：

一种耐磨擦的超疏水表面，包括多孔泡沫金属骨架1及填充在多孔泡沫金属骨架1表面和孔隙中的填充材料2，所述填充材料2由超疏水材料3和粘合剂材料4组成。

进一步地，所述多孔泡沫金属骨架1为泡沫镍、泡沫铜或泡沫铁；所述多孔泡沫金属骨架1厚度为1mm-2mm，孔径为75ppi-110ppi。

进一步地，所述超疏水材料3为聚二乙烯基苯(pdvb)材料；所述粘合剂4为聚二甲基硅氧烷(pdms)材料。

一种耐摩擦的超疏水表面的制备方法，具体步骤如下：

(1)、多孔泡沫金属骨架的准备：

裁剪多孔泡沫金属骨架，用3m胶带将其贴在玻璃板上固定；

(2)、填充材料的制备：

首先，将pdvb粉末分次加入被稀释的pdms中，进行不断地搅拌使全部粉末充分分散到pdms中，然后将其放热台上一边加热一边搅拌，目的是使正己烷能够挥发，直至整个混合物呈粘稠状态，形成填充材料；

(3)、耐摩擦的超疏水表面的制备：

首先，将填充材料倒在准备好的多孔泡沫金属骨架上，随后用刮板将混合物刮进多孔泡沫金属骨架中，重复上述操作，目的是使填充材料充分充满于多孔泡沫金属骨架中以及使表面没有多余的混合物残留，随后将样品在烘箱中固化，固化结束后就得到耐摩擦的超疏水表面。

进一步地，所述多孔泡沫金属骨架1裁剪成20mm*20mm～400mm*400mm的尺寸，多孔泡沫金属骨架1厚度为1mm～2mm,孔径为75ppi～110ppi。

进一步地，步骤(2)中所述的pdvb通过如下方法制得：

首先，将2g～4g二乙烯基苯(dvb)溶于20ml～40ml的乙酸乙酯中，然后加入0.05g～0.1g偶氮二异丁腈(aibn)作为引发剂；然后将溶液在室温下搅拌4h～5h，充分搅拌后将其转移至反应釜中；将反应釜放入烘箱，温度100℃时加热24h，随后打开反应釜内胆盖子进行自然冷却，冷却和挥发时间为12～15小时，得到pdvb的固体材料，将pdvb放入研钵，研磨成粉末状，得到粉末状pdvb材料。

进一步地，步骤(2)中所述pdms，具体制备步骤为，将pdms前驱体和固化剂以质量比为10：1的比例充分混合，形成流体状的pdms。

进一步地，步骤(2)中所述pdms，是用正己烷稀释的，稀释比例为pdms和正己烷的质量比为1：3～1：5,目的是为了稀释pdms，使得pdms和pdvb能够更好的均匀混合。

进一步地，步骤(2)中pdms与pdvb的质量比(mpdms:mpdvb)为0.8：1～1：2；步骤(2)中所述pdvb分次添加的次数为5～10次；每次添加的剂量为0.5g～1g；所述热台温度为40℃～60℃；所述搅拌速度为400r/min～800r/min。

进一步地，步骤(3)中所述固化温度为70～90℃，固化时间为40min～60min；所述重复上述操作的次数为重复2-4次；所述每次填充量为2.5g～7.5g。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明相比于其他超疏水表面的制备方法来说具有应用场景广泛、实用性强、机械稳定性强、成本低廉等诸多优点；

(2)本发明相比于其他普通超疏水表面来说具有耐针尖刮擦、砂纸摩擦或刮板剐蹭等耐磨损的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的制备耐摩擦的超疏水表面的截面结构示意图；

图2为本发明的制备耐摩擦的超疏水表面的流程示意图；

图3为本发明的耐摩擦的超疏水表面的超景深三维显微镜图；

其中，(a)为10倍物镜下的图片，(b)为20倍物镜下的图片；

图4为本发明的耐摩擦的超疏水表面在针尖刮擦下的示意图以及刮擦后的水滴滚落示意图；

其中，(a)为耐摩擦的超疏水表面在针尖刮擦下的示意图；(b)为刮擦后的水滴滚落示意图；

图5为本发明的耐摩擦的超疏水表面在砂纸摩擦下的示意图以及摩擦后的水滴滚落示意图；

其中，(a)为耐摩擦的超疏水表面在砂纸摩擦下的示意图；(b)为摩擦后的水滴滚落示意图；

图6为本发明的耐摩擦的超疏水表面在刮板剐蹭下的示意图以及剐蹭后的水滴滚落示意图；

其中，(a)为耐摩擦的超疏水表面在刮板剐蹭下的示意图；(b)为剐蹭后的水滴滚落示意图；

图7为本发明的耐摩擦的超疏水表面在经过针尖刮擦、砂纸摩擦、刮板剐蹭前后的接触角图片；

其中，(a)为测试前超疏水表面的接触角；(b)为测试后(经过针尖刮擦、砂纸摩擦、刮板剐蹭)超疏水表面的接触角。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

一种耐磨擦的超疏水表面，包括多孔泡沫金属骨架1及填充在多孔泡沫金属骨架1表面和孔隙中的填充材料2，所述填充材料2由超疏水材料3和粘合剂材料4组成。

所述多孔泡沫金属骨架1为泡沫镍、泡沫铜或泡沫铁；所述多孔泡沫金属骨架1厚度为1mm-2mm，孔径为75ppi-110ppi。

所述超疏水材料3为pdvb材料；所述粘合剂4为pdms材料。

所述的多孔泡沫金属骨架1为一种呈骨架状结构，含有许多孔隙的金属功能材料。所述的填充材料2中的超疏水材料3为起到主要超疏水作用的部分，粘合剂4起到将超疏水材料3的颗粒间粘合的作用。

实施例1

本实施例提供了一种耐摩擦超疏水表面的制备方法，其包括以下步骤；

(1)、多孔泡沫金属骨架的准备：所用的多孔泡沫金属骨架为泡沫镍，将泡沫镍裁剪成100mm*100mm大小，用3m胶带将其贴在玻璃板上固定；

(2)、填充材料的制备：所用的填充材料为超疏水材料和粘合剂4的混合物。所用的超疏水材料为pdvb粉末，所用的粘合剂为pdms。首先，将5g的pdvb粉末分5次分别加入到24g被正己烷稀释了的pdms中(其中pdms质量为4g,正己烷为质量20g，质量比为1：5)，进行不断地搅拌使全部pdvb粉末能够充分分散到溶液中，然后将其放在50℃左右的热台上一边加热一边搅拌，目的是使正己烷能够挥发，直至整个混合物呈粘稠状态；

其中，pdms具体制备步骤为，将pdms前驱体和固化剂分别以质量3.64g、0.36g(质量比为10：1)充分混合，形成流体状的pdms，然后加入20g正己烷稀释(稀释比例为1:3)。另外pdvb通过如下方法制得：首先，将2g二乙烯基苯(dvb)溶于20ml的乙酸乙酯中，然后加入0.05g偶氮二异丁腈(aibn)作为引发剂；然后将溶液在室温下搅拌4h，充分搅拌后将其转移至反应釜中；将反应釜放入烘箱，温度100℃时加热24小时，随后打开反应釜内胆盖子进行自然冷却，冷却和挥发时间为12小时，得到pdvb的固体材料，将pdvb放入研钵，研磨成粉末状，得到粉末状pdvb材料。

(3)、耐摩擦的超疏水表面的制备：首先，将填充材料分3次不断灌入准备好的泡沫镍中，并用刮板配合反复刮平表面，目的是使填充材料充分充满泡沫镍中，然后将样品在烘箱中以85℃的温度固化，固化结束后就得到了耐摩擦的超疏水表面。

图2为本发明的一种耐摩擦超疏水表面的制备方法的流程示意图：首先，将超疏水材料与稀释了的粘合剂充分混合，所使用的稀释剂为正己烷，然后将填充材料分多次灌入泡沫镍中，最后将样品放入85℃烘箱进行1小时的固化。

图3为本发明过程中耐摩擦超疏水表面的共聚焦照片；其中图3(a)为放大倍数为10倍的共聚焦照片，可以看到填充材料能够完全地填充在多孔泡沫金属骨架中；图3(b)为放大倍数20倍的共聚焦照片，可以看到，填充材料表面相对粗糙。

实施例2

本实施例提供了一种耐针尖刮擦的超疏水表面的制备方法，其包括以下步骤；

(1)、多孔泡沫金属骨架的准备：所用的多孔泡沫金属骨架为泡沫镍，将泡沫镍裁剪成100mm*100mm大小，用3m胶带将其贴在玻璃板上固定；

(2)、填充材料的制备：所用的填充材料为超疏水材料和粘合剂的混合物。所用的超疏水材料为pdvb粉末，所用的粘合剂为pdms。首先，将5g的pdvb粉末分8次分别加入到24g被正己烷稀释了的pdms中(其中pdms质量为4g,正己烷为质量20g,质量比为1：5)，进行不断地搅拌使全部pdvb粉末能够充分分散到溶液中，然后将其放在50℃左右的热台上一边加热一边搅拌，目的是使正己烷能够挥发，直至整个混合物呈粘稠状态；

其中，pdms具体制备步骤为，将pdms前驱体和固化剂分别以质量3.64g、0.36g(质量比为10：1)充分混合，形成流体状的pdms，然后加入20g正己烷稀释(稀释比例为1:3)。另外pdvb通过如下方法制得：首先，将2g二乙烯基苯(dvb)溶于20ml的乙酸乙酯中，然后加入0.05g偶氮二异丁腈(aibn)作为引发剂；然后将溶液在室温下搅拌4h，充分搅拌后将其转移至反应釜中；将反应釜放入烘箱，温度100℃时加热24小时，随后打开反应釜内胆盖子进行自然冷却，冷却和挥发时间为12小时，得到pdvb的固体材料，将pdvb放入研钵，研磨成粉末状，得到粉末状pdvb材料。

(3)、耐摩擦的超疏水表面的制备：首先，将填充材料分3次不断灌入准备好的泡沫镍中，并用刮板配合反复刮平表面，目的是使填充材料充分充满泡沫镍中，然后将样品在烘箱中以80℃的温度固化，固化结束后就得到了耐摩擦的超疏水表面。

图4为本发明的耐摩擦的超疏水表面在针尖刮擦下的示意图以及刮擦后的水滴滚落示意图；

其中，图4(a)为耐摩擦的超疏水表面在针尖刮擦下的示意图，使用注射器的针尖沿图示方向在整个样品表面来回刮擦；图4(b)为刮擦后的水滴滚落示意图，可以发现水滴刚滴到样品表面就快速滚落，样品能够实现在针尖刮擦后依然保持超疏水的状态。

实施例3

本实施例提供了一种耐砂纸摩擦的超疏水表面的制备方法，其包括以下步骤；

(1)、多孔泡沫金属骨架的准备：所用的多孔泡沫金属骨架为泡沫镍，将泡沫镍裁剪成100mm*100mm大小，用3m胶带将其贴在玻璃板上固定；

(2)、填充材料的制备：所用的填充材料为超疏水材料和粘合剂的混合物。所用的超疏水材料为pdvb粉末，所用的粘合剂为pdms。首先，将5g的pdvb粉末分5次分别加入到22.5g被正己烷稀释了的pdms中(其中pdms质量为4.5g,正己烷为质量18g,质量比为1：4)，进行不断地搅拌使全部pdvb粉末能够充分分散到溶液中，然后将其放在50℃左右的热台上一边加热一边搅拌，目的是使正己烷能够挥发，直至整个混合物呈粘稠状态；

其中，pdms具体制备步骤为，将pdms前驱体和固化剂分别以质量4.09g、0.41g(质量比为10：1)充分混合，形成流体状的pdms，然后加入18g正己烷稀释(稀释比例为1:3)。另外pdvb通过如下方法制得：首先，将2g二乙烯基苯(dvb)溶于20ml的乙酸乙酯中，然后加入0.05g偶氮二异丁腈(aibn)作为引发剂；然后将溶液在室温下搅拌4h，充分搅拌后将其转移至反应釜中；将反应釜放入烘箱，温度100℃时加热24小时，随后打开反应釜内胆盖子进行自然冷却，冷却和挥发时间为12小时，得到pdvb的固体材料，将pdvb放入研钵，研磨成粉末状，得到粉末状pdvb材料。

(3)、耐摩擦的超疏水表面的制备：首先，将填充材料分3次不断灌入准备好的泡沫镍中，并用刮板配合反复刮平表面，目的是使填充材料充分充满泡沫镍中，然后将样品在烘箱中以80℃的温度固化，固化结束后就得到了耐摩擦的超疏水表面。

图5为本发明的耐摩擦的超疏水表面在砂纸摩擦下的示意图以及摩擦后的水滴滚落示意图；

其中，图5(a)为耐摩擦的超疏水表面在砂纸摩擦下的示意图，我们使用目数为100的砂纸沿图示方向在整个样品表面来回摩擦；图5(b)为刮擦后的水滴滚落示意图，可以发现水滴刚滴到样品表面就快速滚落，样品能够实现在砂纸摩擦后依然保持超疏水的状态。

实施例4

本实施例提供了一种刮板剐蹭的超疏水表面的制备方法，其包括以下步骤；

(1)、多孔泡沫金属骨架的准备：所用的多孔泡沫金属骨架为泡沫镍，将泡沫镍裁剪成100mm*100mm大小，用3m胶带将其贴在玻璃板上固定；

(2)、填充材料的制备：所用的填充材料为超疏水材料和粘合剂的混合物。所用的超疏水材料为pdvb粉末，所用的粘合剂为pdms。首先，将5g的pdvb粉末分5次分别加入到20g被正己烷稀释了的pdms中(其中pdms质量为5g,正己烷为质量15g,质量比为1：3)，进行不断地搅拌使全部pdvb粉末能够充分分散到溶液中，然后将其放在50℃左右的热台上一边加热一边搅拌，目的是使正己烷能够挥发，直至整个混合物呈粘稠状态；

其中，pdms具体制备步骤为，将pdms前驱体和固化剂分别以质量4.55g、0.45g(质量比为10：1)充分混合，形成流体状的pdms，然后加入15g正己烷稀释(稀释比例为1:3)。另外pdvb通过如下方法制得：首先，将2g二乙烯基苯(dvb)溶于20ml的乙酸乙酯中，然后加入0.05g偶氮二异丁腈(aibn)作为引发剂；然后将溶液在室温下搅拌4h，充分搅拌后将其转移至反应釜中；将反应釜放入烘箱，温度100℃时加热24小时，随后打开反应釜内胆盖子进行自然冷却，冷却和挥发时间为12小时，得到pdvb的固体材料，将pdvb放入研钵，研磨成粉末状，得到粉末状pdvb材料。

(3)、耐摩擦的超疏水表面的制备：首先，将填充材料分3次不断灌入准备好的泡沫镍中，并用刮板配合反复刮平表面，目的是使填充材料充分充满泡沫镍中，然后将样品在烘箱中以80℃的温度固化，固化结束后就得到了耐摩擦的超疏水表面。

图6为本发明的耐摩擦的超疏水表面在刮板剐蹭下的示意图以及剐蹭后的水滴滚落示意图；

其中，图6(a)为耐摩擦的超疏水表面在刮板剐蹭下的示意图，我们使用刮板沿图示方向在整个样品表面来回摩擦；图6(b)为剐蹭后的水滴滚落示意图，可以发现水滴刚滴到样品表面就快速滚落，样品能够实现在刮板剐蹭后依然保持超疏水的状态。

图7为本发明的耐摩擦的超疏水表面在经过针尖刮擦、砂纸摩擦、刮板剐蹭前后的接触角图片。

其中，图7(a)为测试前超疏水表面的接触角，可以看出样品表面在经过针尖刮擦、砂纸摩擦、刮板剐蹭前接触角为152°±1°；图7(b)为测试后(经过针尖刮擦、砂纸摩擦、刮板剐蹭)超疏水表面的接触角依然保持在152°±1°，表面本发明的超疏水表面耐摩擦效果非常优异。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。