一种超亲吸水材料及耐久性润湿梯度表面的制备方法

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种超亲吸水材料及耐久性润湿梯度表面的制备方法。

背景技术：

1、润湿梯度表面在雾水收集、液滴导引、生物医药领域内具有巨大的科研价值和工程应用价值，近年来，学者对其进行了广泛的研究。润湿梯度表面即润湿性随空间连续变化的表面，其最主要的特征是能够使得液滴在其表面形成自发运动。目前，加工润湿梯度表面的思路和方法可以分为以下三种：(1)根据wenzel和cassie原理，通过加工微结构的方法在固体材料表面形成具有密度梯度排列的微结构，从而在固体表面形成润湿梯度；(2)在光滑表面通过梯度沉积低表面能的化学物质来梯度改变固体材料表面能，从而形成润湿梯度；(3)结合以上两种方法，通过在具有密度梯度排列微结构的表面梯度沉积低表面能化学物质来形成润湿梯度表面。可见，制备润湿梯度表面的思路已经较为成熟，但是，要形成较大的明显的润湿梯度，梯度两端润湿性应趋近于超疏水和超亲水状态，然而，超亲水材料表面由于其较高的表面能，容易吸附空气中的低表面能杂质，从而使其不能达到持久的超亲水状态，这是目前限制大跨度润湿梯度表面的主要技术问题之一。

2、现有技术中公开了多种润湿梯度表面的制备材料及方法，如采用控制孔径的方法，形成了一种孔径梯度变化的一种单向导湿材料；采用翻模和激光加工等方法在基底表面加工仿生荷叶、仙人掌刺等结构的雾水收集表面；具有润湿梯度的单向导湿纳米纤维多层复合膜的制备方法等。但是，以上专利申请中均没有关注持久性大跨度润湿梯度表面的技术问题，也没有针对性提出相关的解决方案，因此，针对大跨度超疏水超亲水润湿梯度表面所面临的技术问题，急需提出一种解决方案。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种超亲吸水材料及耐久性润湿梯度表面的制备方法，通过限定具体的制备工艺，实现了液滴接触角从超亲水(接触角小于10°)到超疏水(接触角大于150°)的连续变化，并且通过吸水材料的超亲水特性，巧妙的解决了传统润湿梯度表面中高表面能超亲水表面易吸附空气中低表面能杂质从而丧失超亲水特性的技术瓶颈。

3、本发明的技术方案是：一种超亲吸水材料，其特征在于：材料组分包括丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸-磺酸丙酯钾盐、n-n亚甲基双丙烯酰胺、去离子水、过硫酸钾、氯化铁，质量比为426：84：42.5：2：4000：1：100。

4、本发明的进一步技术方案是：所述超亲吸水材料配置温环境为室温。

5、一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

6、步骤1：基底选择及预处理，并选取与基底尺寸相同的玻璃片备用；

7、步骤2：基底和玻璃片的清洁处理；

8、步骤3：将步骤2处理后的基底进行低表面能涂层处理，在基底表面得到均匀的低表面能涂层；

9、步骤4：采用刻蚀法区域性去除低表面能涂层；

10、步骤5：配置超亲吸水材料基底液；

11、步骤6：将步骤5配置的基底液滴入步骤4的刻蚀区域内，再将步骤2清洗处理后的玻璃片覆盖于其表面，进行烘干；之后去除玻璃片，清洗得到超亲水/超疏水的耐久性润湿梯度表面。

12、本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，选用纯度为99.999％的铁片基底，通过打磨的方法在铁片表面制备微米级微结构，通过打磨使其表面粗糙度达到ra10～ra50。

13、本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中清洁处理方法为，将打磨完成后的铁片和选取的玻璃片依次用无水乙醇和丙酮进行超声清洗30min，清洗完成后快速用去离子水进行冲洗，并使用氮气吹干。

14、本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中低表面能涂层处理方法为，首先，将质量分数为2％的聚四氟乙烯悬浊液均匀旋涂在带有微结构的铁片表面，使其厚度保持在100nm±10nm；然后，将涂覆聚四氟乙烯悬浊液的铁片放入烘箱中，保持温度为300℃加热15min，最后使其自然冷却至室温。

15、本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中采用飞秒激光选择性区域去除低表面能涂层，具体为：将低表面能处理后的铁片放入飞秒激光下，采用激光刻蚀法区域性去除低表面能涂层，去除表皮厚度为80～100微米，去除区域按照面积梯度变化的趋势进行设计。

16、本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，去除低表面能涂层区域图形按照密度梯度排布，图形组成单元为矩形、圆形或三角形。

17、本发明的进一步技术方案是：所述步骤5中配置超亲吸水材料基底液的方法为；取丙烯酰胺，丙烯酸，甲基丙烯酸-磺酸丙酯钾盐，n-n亚甲基双丙烯酰胺，去离子水，过硫酸钾，氯化铁，室温25摄氏度下按照质量比为426：84：42.5：2：4000：1：100配置并充分搅拌。

18、本发明的进一步技术方案是：所述步骤6中具体工艺要求为，首先用夹子将玻璃片与铁片夹紧，放入烘箱中，保持温度为60摄氏度，1h后将其拿出，揭开表面覆盖的玻璃片；然后，将表面附着有超亲水吸水材料的铁片放在去离子水下进行冲洗，直至刻蚀区域外多余的超亲水吸水材料冲洗干净；最后形成具有所设计微结构的超亲水/超疏水湿梯度表面。

19、有益效果

20、本发明的有益效果在于：

21、(1)本发明中采用超亲吸水材料构造润湿梯度表面中的超亲水部分，使得超亲水部分能在空气中吸收水分而保持持久的润湿状态，这种润湿状态使得表面不会因为受到空气中低表面能杂质的污染而丧失超亲水特性，从而可以实现持久的超疏水(液滴接触角大于150°)到超亲水(液滴接触角小于10°)渐变润湿梯度表面；

22、(2)本发明采用激光刻蚀制备加工区域，方法简单，微结构形貌可控性强，可适用于任意形状的润湿梯度表面的制备；

23、(3)本发明所实现超疏水到超亲水梯度变化表面的材料成本低，可实现大规模润湿梯度表面的制备和推广。

技术特征：

1.一种超亲吸水材料，其特征在于：材料组分包括丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸-磺酸丙酯钾盐、n-n亚甲基双丙烯酰胺、去离子水、过硫酸钾、氯化铁，质量比为426：84：42.5：2：4000：1：100。

2.根据权利要求1所述一种超亲吸水材料，其特征在于：所述超亲吸水材料配置温环境为室温。

3.一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，选用纯度为99.999％的铁片基底，通过打磨的方法在铁片表面制备微米级微结构，通过打磨使其表面粗糙度达到ra10～ra50。

5.根据权利要求4所述一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于：所述步骤2中清洁处理方法为，将打磨完成后的铁片和选取的玻璃片依次用无水乙醇和丙酮进行超声清洗30min，清洗完成后快速用去离子水进行冲洗，并使用氮气吹干。

6.根据权利要求5所述一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于：所述步骤3中低表面能涂层处理方法为，首先，将质量分数为2％的聚四氟乙烯悬浊液均匀旋涂在带有微结构的铁片表面，使其厚度保持在100nm±10nm；然后，将涂覆聚四氟乙烯悬浊液的铁片放入烘箱中，保持温度为300℃加热15min，最后使其自然冷却至室温。

7.根据权利要求6所述一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于：所述步骤4中采用飞秒激光选择性区域去除低表面能涂层，具体为：将低表面能处理后的铁片放入飞秒激光下，采用激光刻蚀法区域性去除低表面能涂层，去除表皮厚度为80～100微米，去除区域按照面积梯度变化的趋势进行设计。

8.根据权利要求7所述一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，去除低表面能涂层区域图形按照密度梯度排布，图形组成单元为矩形、圆形或三角形。

9.根据权利要求8所述一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于：所述步骤5中配置超亲吸水材料基底液的方法为；取丙烯酰胺，丙烯酸，甲基丙烯酸-磺酸丙酯钾盐，n-n亚甲基双丙烯酰胺，去离子水，过硫酸钾，氯化铁，室温25摄氏度下按照质量比为426：84：42.5：2：4000：1：100配置并充分搅拌。

10.根据权利要求9所述一种基于超亲吸水材料耐久性润湿梯度表面的制备方法，其特征在于：所述步骤6中具体工艺要求为，首先用夹子将玻璃片与铁片夹紧，放入烘箱中，保持温度为60摄氏度，1h后将其拿出，揭开表面覆盖的玻璃片；然后，将表面附着有超亲水吸水材料的铁片放在去离子水下进行冲洗，直至刻蚀区域外多余的超亲水吸水材料冲洗干净；最后形成具有所设计微结构的超亲水/超疏水湿梯度表面。

技术总结
本发明一种超亲吸水材料及耐久性润湿梯度表面的制备方法，材料加工领域；超亲吸水材料组分包括丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸‑磺酸丙酯钾盐、N‑N亚甲基双丙烯酰胺、去离子水、过硫酸钾、氯化铁；润湿梯度表面的制备方法为：基底选择及预处理，并选取与基底尺寸相同的玻璃片备用；基底和玻璃片的清洁处理；基底进行低表面能涂层处理；采用刻蚀法区域性去除低表面能涂层；配置超亲吸水材料基底液；将基底液滴入刻蚀区域内，再将玻璃片覆盖于其表面，进行烘干；之后去除玻璃片，清洗得到超亲水/超疏水的耐久性润湿梯度表面。本发明使得超亲水部分能在空气中吸收水分而保持持久的润湿状态，实现持久的超疏水到超亲水渐变润湿梯度表面。

技术研发人员：胡海豹,李明升,江浪,文俊,谢络,杜鹏,黄潇,任峰,陈效鹏
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13