[发明专利]一种耐久超滑超疏水表面的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种耐久超滑超疏水表面的制备方法及应用。制备方法的第一步是在导电基底上电沉积制备得到多孔性的有机框架化合物（MOF）薄膜；制备方法的第二步是采用长链疏水低表面能物质进行修饰，得到超疏水MOF薄膜；制备方法的第三步是在上述超疏水薄膜的孔隙中负载经官能团化的硅油，同时采用异氰酸酯类物质对官能团化的硅油进行固化反应，最终得到耐久超滑超疏水表面。本发明可应用于常见导电基底，尤其适用于可防海洋生物污损的金属表面处理技术。本发明采用官能团化的硅油并对其接枝固化的思路，解决了传统的超滑表面因“润滑油”的泄露易失效的问题，从而实现超滑表面的“耐久性”。

技术领域

本发明涉及超疏水薄膜与仿生超滑表面领域，尤其涉及构筑独特的微纳粗糙结构，负载润滑液制备超滑表面的制备方法及应用。

技术背景

超疏水表面是一种与水滴接触角大于150º且滚动角小于10º的表面，是受自然界中“出淤泥而不染”的荷叶效应启发而来。荷叶表面依靠微纳结构形成的“空气垫”实现超疏水，其机械稳定性和耐久性较差，在水环境的应用中受到限制。受自然界中猪笼草的启发，仿生超滑表面可以有效的解决超疏水表面耐久性的问题。与荷叶不同，猪笼草不是利用其内壁微纳粗糙结构来抵御液体的冲击，而是利用这种结构的毛细作用来锁住“润滑油”，使油填充在表面微观粗糙结构的空隙中，形成稳定连续的覆盖表面，从而达到亲油疏水的“超滑”效果。构筑仿荷叶的超疏水表面需要两个必要条件：构筑微纳粗糙结构，修饰低表面能物质。而构筑仿猪笼草的超滑表面需要在构筑超疏水表面的两个条件的基础上再增加一个条件：填充润滑油。当基底材料的结构受到磨损或强烈冲击时，润滑油迅速的流动补充，从而恢复疏水效果，实现“流动自修复”。

然而，超滑表面的“润滑油”负载量有限，持续的冲击磨损终将使用于补充修复的润滑油耗尽，从而失去超滑表面的润滑效果。

发明内容

本发明针对现有的超滑表面耐久性不足，结合MOF材料的优势，以固化润滑油的创新思路，提供了一种耐久超滑超疏水表面的制备方法及应用。

本发明采用将超滑表面填充的润滑油进行官能团化后再进行接枝固化的思路，使得润滑油牢牢地固化在微纳粗糙结构中，从而使得润滑油不会因强烈的冲击和磨损丧失消耗，从而使得超滑表面更加耐久。将传统的润滑油（无活性基团的硅油）改为经氨基化、羟基化、羧基官能团化的润滑油，采用异氰酸酯基团可以和这些功能基团发生化学反应的特性，实现润滑油的固化。本发明将超滑表面由“流动自修复”升级为“稳定的超润滑结构”，超滑超疏水表面的耐久性得到了提升。特别是在防海洋生物污损领域有重大的意义。

电沉积制备MOF薄膜是一种简易可靠的加电制备微纳粗糙结构的办法。MOF材料种类丰富，比表面积较大，孔径与形貌可调，便于根据实际情况设计调节。同时，MOF材料活性基团较多，易于接枝修饰低表面能物质，比表面积较大，润滑油负载量较高。

一种耐久超滑超疏水表面的制备方法，包括以下三个步骤：

第一步是在导电基底上电沉积制备金属有机框架化合物（MOF）薄膜：

1.1）电沉积MOF前驱液的配制：取金属硝酸盐和有机配体，在去离子水和有机溶剂中混合搅拌均匀；

1.2）在导电基底上进行电沉积，电沉积后的样品在烘箱中烘干；

第二步是低表面能物质的修饰：

2.1）将第一步电沉积得到的MOF薄膜在含低表面能物质的溶液中浸泡，取出沥干，放在烘箱中烘干，得到超疏水MOF薄膜；

第三步是经官能团化的硅油的负载与固化：

3.1）将第二步得到的超疏水MOF薄膜在含经官能团化的硅油的溶液中浸泡一段时间后，在溶液中添加异氰酸酯类物质，等待几分钟后取出，烘箱中烘干固化，得到耐久超滑超疏水表面。