[发明专利]一种在水下具有稳定气液界面的超疏水表面及其制备方法

说明书

本发明提供了一种在水下具有稳定气液界面的超疏水表面及其制备方法，涉及超疏水材料技术领域。本发明提供的超疏水表面包括一级粗糙度硬化亲水层、外力缓释层和二级粗糙度疏水层，所述外力缓释层渗透到一级粗糙度硬化亲水层的缝隙内且不浸没一级粗糙度硬化亲水层，所述二级粗糙度疏水层附着在一级粗糙度硬化亲水层和外力缓释层的表面；或者，包括一级粗糙度硬化亲水层和二级粗糙度疏水层，所述二级粗糙度疏水层附着在一级粗糙度硬化亲水层表面。本发明提供的在水下具有稳定气液界面的超疏水表面具有优异的超疏水和长效水下固气特性，并且具有极高的结构稳定性、对基材广泛的适配性，而且原料无毒、无害、易得，能够大幅降低成本，适合放大化生产。

技术领域

本发明涉及超疏水材料技术领域，尤其涉及一种在水下具有稳定气液界面的超疏水表面及其制备方法。

背景技术

超疏水特性(荷叶效应)是一种极端憎水的材料表面性质，具有超疏水性质的表面(如荷叶表面)一般具有低表面能和一定的粗糙度。水滴由于是极性分子构成，极难在超疏水表面粘附，一旦水滴接触到超疏水表面，水滴不能在超疏水表面铺展，保持液珠形状的同时(接触角一般大于150°)，会快速从表面滚落(滚动角极小，一般小于5°)。具有超疏水特性的表面，理论上极难被水润湿，即使浸没在水中，超疏水表面也会再形成一层暂时的空气膜，使之在短时浸没拿出后表面保持干燥。而在水中长时间浸泡的超疏水表面由于其表面憎水特性，固/液/气三相线容易在表面滑动，使气泡汇聚后脱离，从而发生部分表面润湿。

槐叶萍空泡技术是一种可使材料表面同时具有超疏水特性和长效水下固气特性的材料表面改性技术。与单纯的超疏水特性不同的是，具有槐叶萍空泡特性的材料表面不但具备超疏水特性，当其浸没于水中时，可在表面形成长效稳定的空泡气膜。这种效应与槐叶萍在水下的表面性质特别相似，因此被称为“槐叶萍效应”。槐叶萍表面之所以能够长效水下固气是由于其微观结构具有“打蛋器”般的特殊形貌，这种结构除了使之在空气中具有如荷叶表面的超疏水特性外，其尖端的亲水结构使其在浸没状态下可保持稳定的固/液/气三相界面，从而使得表面的空泡气膜稳定存在。这种特殊的水下固气效应在低摩擦流体力学领域具有特别的应用潜力，如具有槐叶萍空泡效应的表面可用于船底减阻、生物污损粘附防治、或其他水下航器的增速和能耗节省等方面。

目前世界范围内不论是超疏水技术还是槐叶萍空泡技术都还主要停留在实验室阶段，而制约这类技术大规模的推广和应用的主要难题是目前技术做出的涂层产品很难实现制备成本、制备规模和涂层长时稳定性的兼顾。一般来说这类技术的表面设计和制备需要在目标表面构筑可模拟荷叶或槐叶萍表面的微纳复合特殊结构并使得这些结构低表面能化，实验室中常用的方法包括生物表面模板法(利用具有超疏水特性的生物表面作为结构模板，将结构反印到低表面能有机物表面上)、纳米填充法(将纳米颗粒填充到低表面能体相中产生微纳复合结构)、化学刻蚀法(利用化学方法将部分体相刻蚀产生微纳复合结构)、电化学沉积法(利用电化学沉积法沉积上新的粗糙结构)、物理打磨法(利用粗糙硬质表面打磨出所需粗糙度)等等。这些方法虽可以做出具有特殊特性的表面但普遍具有制备规模小、制备成本高、稳定性差、适配性差或污染大等缺点。因此，目前还难以实现可大规模生产的且具有极佳稳定性的超疏水涂层。

最近美国密歇根大学研发人员开发了一种具有极高稳定性的超疏水涂层(ACSapplied materialsinterfaces,9(12),11212-11223.)，该项成果制备的超疏水涂层可用砂纸打磨千次仍具有绝佳的疏水性，且涂层的适配性好，可作为表面改性涂层喷涂于不同的目的表面上。但这种高性能涂层需要利用一种具有极强疏水性的材料—“氟化笼型聚倍半硅氧烷”，这种材料的合成非常复杂，成本极其昂贵，仍然难以大规模量产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在水下具有稳定气液界面的超疏水表面及其制备方法。本发明提供的在水下具有稳定气液界面的超疏水表面不仅具有优异的超疏水和长效水下固气特性、极高的结构稳定性、对基材广泛的适配性，而且原料无毒、无害、易得，能够大幅降低成本，适合放大化生产。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：