一种通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层及其制备方法

1.本发明属于材料表面改性技术领域，具体涉及一种通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层及其制备方法。


背景技术：

2.超疏液表面因其巨大的应用潜力和广泛的应用领域而备受关注，例如在防污、流体减阻、传热传质等领域有着巨大的潜在应用价值。超疏液表面通常具有特殊的表面结构(物理结构)又同时具有低表面能(化学性质)。然而，在实际应用条件下(温度、湿度、外力、磨损等因素)，表面结构遭到损坏或微结构中的气层被液体取代，从而使材料的疏水性失效；另一方面，含氟物质虽可降低表面能，但是在高温、高湿或强紫外环境条件下，氟化改性表面易退化；另外，频繁使用含氟物质可能会威胁到人类健康和环境保护。因此，一种由润滑液体灌注的超滑多孔表面引起了研究者们的关注，这类表面在具有良好的疏液性质的同时，还具有一定的疏冰效果，进一步拓宽了功能表面的应用范围。但是在实际应用过程中，无法避免润滑液的耗损和污染，而这都会使表面的疏液和疏冰性质大打折扣。
3.对此，通过接枝的方法将柔性分子刷固定到表面上形成类液体润滑层能很好的避免润滑液污染与耗损问题。但是，表面接枝策略也存在许多不足。首先，接枝柔性分子刷(例如聚二甲基硅氧烷)过程繁琐且耗时长，或是需要催化剂以及需要耗费大量溶剂去除反应液中的各种残留物(未反应完的分子链等)。这些缺点从时间成本、金钱成本、环境成本等多个方面都很大程度上限制了这类策略的实际应用；其次，受限于表面接枝密度，不但直接影响改性表面的超疏液能力，其接枝分子稳定性也较低(因接枝密度不足易水解)。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层及其制备方法，通过化学气相沉积法将柔性硅氧烷分子刷接枝在基材表面，形成类液层，赋予材料优异的疏液能力，不易脱落，不易退化，有效解决了现有技术中制备方法繁琐、易脱落受损和性能持久性不足等问题。
5.为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)将清洗后的基底在常温下用氧气等离子体处理5-30min，得预处理基底；
7.(2)将步骤(1)所得预处理基底和含有氯端基的硅氧烷放入真空罐中，抽真空后常温放置2-24h，取出后乙醇淋洗，烘干，得通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层。
8.进一步，步骤(1)中，基底为玻璃、硅片或金属氧化物表面。
9.进一步，采用乙醇、丙酮和四氢呋喃中的一种或多种进行淋洗。
10.进一步，基底总面积为100-200cm2。
11.进一步，步骤(2)中，含有氯端基的硅氧烷和预处理基底的体积面积比为300:50-500μl/cm2。
12.进一步，步骤(2)中，含有氯端基的硅氧烷和预处理基底的体积面积比为300:150μl/cm2。
13.进一步，含有氯端基的硅氧烷为二氯二甲基硅烷。
14.上述的通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层的制备方法制得的通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层。
15.综上所述，本发明具备以下优点：
16.1、本发明通过化学气相沉积法将柔性硅氧烷分子刷接枝在基材表面，形成类液层，赋予材料优异的疏液能力，不易脱落，不易退化，有效解决了现有技术中制备方法繁琐、易脱落受损和性能持久性不足等问题。
17.2、本发明通过气相沉积法，将小分子原位接枝聚合固定到材料表面形成柔性分子刷，得到的类液体润滑层不仅能很好地避免灌注润滑液污染与耗损问题，还能避免大量容易的使用，以及提高表面分子刷的接枝密度，增强分子刷的耐水解性能。表面接枝过程简便易行、无需大量溶剂，绿色环保，展现出良好的实际应用前景。
18.3、本发明的基于硅氧烷分子刷的疏液涂层(由于接枝的柔性分子链具有良好的运动能力，使得整个分子刷层具有类似液体的流动性)可实现对较大表面能范围液体的疏液效果；且由于分子刷层具有良好的流动性，因此同时具有明显的疏冰效果；同时，由于共价接枝而具有持久有效性、耐高温性、耐光降解性、耐磨性。
19.4、本发明的基于硅氧烷分子刷的疏液涂层具有普适性，可制备在多种基底上，满足不同应用场景的需求。其制备方法简单快捷，无需催化剂，无需耗费大量水资源以去除反应液残留物，绿色环保，有利于大规模生产。
附图说明
20.图1为本发明的制备流程示意图；
21.图2为不同表面张力液体在样品上的滚落情况；
22.图3为测试冰黏附力的实验装置图；
23.图4为冰黏附测试结果；
24.图5为耐高温性的测试结果；
25.图6为耐磨性的测试结果；
26.图7为对酸奶的低黏附性对比结果。
具体实施方式
27.实施例1
28.一种通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层，其制备方法包括以下步骤：
29.(1)将清洗后的玻璃基底在常温下用氧气等离子体处理10min，得预处理基底；
30.(2)将步骤(1)所得预处理基底(100cm2)和二氯二甲基硅烷(300μl)放入真空罐中，抽真空后常温放置10h，取出后乙醇淋洗，烘干，得通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷
的超疏液涂层。
31.实施例2
32.一种通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层，其制备方法包括以下步骤：
33.(1)将清洗后的玻璃基底在常温下用氧气等离子体处理15min，得预处理基底；
34.(2)将步骤(1)所得预处理基底(150cm2)和二氯二甲基硅烷(300μl)放入真空罐中，抽真空后常温放置12h，取出后乙醇淋洗，烘干，得通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层。
35.实施例3
36.一种通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层，其制备方法包括以下步骤：
37.(1)将清洗后的玻璃基底在常温下用氧气等离子体处理20min，得预处理基底；
38.(2)将步骤(1)所得预处理基底(200cm2)和二氯二甲基硅烷(300μl)放入真空罐中，抽真空后常温放置15h，取出后乙醇淋洗，烘干，得通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层。
39.实验例
40.首先，使用接触角装置测试不同表面张力的液体(水、十六烷、丙酮、乙醇、dmf(n,n-二甲基甲酰胺)、dmso(聚甲基亚砜))在实施例2所得产物的接触角后滞，测试结果如图2所示(每种液体测试5次取平均值)。
41.由图2可知，该超疏液涂层对较大表面能范围液体的疏液能力较强。
42.其次，将实施例2所得产物进行防冰测试(测试装置如图3所示)。测试时冷台温度为-18℃，测试结果(5次取平均值)如图4所示。
43.除冰测试具体步骤：
44.(1)使用夹板将待测试样品固定在冷台表面，通入干燥的氮气降低湿度至40％及以下；
45.(2)将贯通的玻璃比色皿放置在样品上，注入水，在选定的实验温度下结冰；
46.(3)结冰完成后，测力计以选定的推进速度推动冰块，记录该过程中力的动态变化和峰值(去除冰块所需的最大力值)。
47.(4)计算获得样品的冰黏附力
48.由图4可知，该超疏液涂层的良好流动性还赋予了材料一定的疏冰性能。
49.再次，将实施例2所得产物分为两组，一组放置于100℃环境，另一组放置于200℃环境中处理30天。记录样品每天的疏液情况(水)，测试结果如图5所示(测试5次取平均值)。
50.由图5可知，该超疏液涂层在高温处理下仍然具有稳定持久的疏液能力。
51.同时，将实施例2所得产物用牛毛皮打磨。记录打磨次数5、10、30、50次后，样品的滚动角情况，测试结果如图6所示(每次测试5次取平均值)。
52.由图6可知，该超疏液涂层具有优异的机械性能。
53.最后，将玻璃瓶在常温下进行氧气等离子体处理15min。将预处理好的玻璃瓶和一定量的二氯二甲基硅烷放入真空罐中常温下反应12小时后，取出，保存。向上述所得玻璃瓶和未接枝过的玻璃瓶中分别倒入酸奶，对比后倒出观察其瓶内的黏附情况。结果如图7所
示，其中“1”为接枝处理的玻璃瓶，未加入酸奶；“2”为接枝处理的玻璃瓶，加入酸奶后再倒出；“3”为未接枝处理的玻璃瓶，加入酸奶后再倒出。
54.由图7可知，该超疏液涂层在实际应用场景中具有较好的效果。
55.综上所述，本发明通过气相沉积接枝聚合硅氧烷分子刷的超疏液涂层具有疏液和疏冰性能，且具有持久的化学稳定性、机械稳定性。
56.虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。