[发明专利]利用快速膨胀溶液在固体上制备超疏水表面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及超疏水表面的领域并且提供一种在宽范围的材料上制备这种表面的方法。另外，本发明涉及用于在基底上制备超疏水表面的装置、利用本发明的方法制备的超疏水膜、以及其上沉积有该超疏水膜的基底。

背景技术

在某些工艺过程和制造过程中、以及在许多日常情况下，利用具有强防水表面的物体是至关重要的，该强防水表面足够稳定，使得即便暴露给水之后也能保持防水性。可以通过一些已确立的方法(例如沉积单层脂类分子或具有极性端基的碳氟化合物)或通过一些特定的化学反应(诸如用烷基硫醇处理已经在先前步骤中沉积在基底表面的薄金层)来使例如云母和玻璃表面的各种在分子水平上光滑和平坦的基底表面变得具有疏水性。这样，存在于光滑基底表面上的水滴的接触角能够被提高到大约100-120度的最大程度。

然而早些时候已经发现，通过采用在胶体长度尺度，即大约10^-8-10^-5m尺度上几何结构化的基底表面，能实现更高的接触角值，实际上接近180度的理论最大值。换句话说，就这一点来说，如果所产生的疏水表面所具有的不平度将水和该疏水表面之间的接触表面增大到相当大的程度则是有利的。显然，这意味着与水的实际接触表面比投影的宏观表面要大得多，意味着热动力学上不利于完全(同质)润湿，虽然水和碳氢化合物间的界面本身由相对较低的自由表面能表征，约50mJ每平方米。结果，一定数量的薄气袋(air pocket)存在于水相和疏水表面之间(异质润湿)。在这种情况下，具有大约72mJ每平方米的表面张力的近似平面的水气界面保持附着到“山地景观”中的表示疏水表面的高峰，而山谷由空气填充(图1)，参见Cassie和Baxter(1)以及Wenzel(2)所发表的论文。

所讨论的这种显示出对纯水的接触角范围在大约150和180度之间的固体表面通常被称为超疏水表面。一个众所周知的取自自然本身的例子是莲属植物(荷花)的叶子。令人吃惊的是，只要存在相对于水平面的最轻微的偏离，水滴就能容易地通过滚动在超疏水表面上移动。这种行为的原因是只有固体表面的完全润湿的部分起作用，因此将水滴约束在表面的总粘附力相对较弱。小水银液滴的行为的相似性是明显的，尽管在后面这种情况中粘附力变小主要是因为水银液滴的高表面张力，该表面张力阻碍其显著偏离球形。另外，超疏水表面通常是“自洁净”的，即起初附着在表面的灰尘和污垢的颗粒会被转移到洒在该表面上的水滴，并且然后在水滴滚落该表面时被去除。

Onda及其同事(3)设计了一种将玻璃和金属表面变为超疏水的方法，该方法基于将熔化的蜡(烷基烯酮二聚体，AKD)涂抹在基底表面，然后进行结晶化。另外，一个日本研究小组已经提交了一项专利申请，该申请基于在Pt/Pd表面形成超疏水AKD膜并由此将分形结构转到该Pt/Pd膜(4)。

尽管有之前的努力，为了有助于生产和限制材料使用，本领域仍然存在改进控制以及扩大对强防水材料和表面的应用的需求。

因此，本发明的目的是满足这些要求。

发明内容

第一方面，本发明涉及一种在固体基底上制备超疏水表面的方法，包括步骤：

(a)提供容器内的加压流体的形式的溶剂，其中该流体随着压力减小显示出溶解能力的降低；

(b)将超疏水物质作为溶质加入所述溶剂，该物质可溶于所述加压流体并能够在该流体膨胀之后结晶/沉积，由此在所述容器内得到所述溶剂和所述溶质的溶液；

(c)在所述容器上开有至少一个孔，从而导致所述加压溶液流出所述容器并在环境空气中或在具有低于所述容器内的压力的膨胀腔内减压，所述溶质由此形成颗粒；

(d)将所述颗粒沉积在所述基底上以得到超疏水表面。

因此，由于减压而快速膨胀的加压流体被用来制备超疏水表面，从而有助于该表面的制备。

优选地，所述溶剂是超临界流体，例如CO₂、N₂、Ar、Xe、C₃H₈、NH₃、N₂O、C₄H₁₀、SF₆、CCl₂F₂或CHF₃，优选为CO₂。

在一个实施例中，所述流体表现出从超临界相到流体相/气相降低至少10倍的溶解能力。

在一个实施例中，所述容器内的所述流体的压力在50-500Bar的区间内，优选为150-300Bar。