CN113385393B - 一种仿沙漠甲虫结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿沙漠甲虫结构复合材料及其制备方法，所述仿沙漠甲虫结构复合材料包括基材层、修饰层和亲水结构层；所述修饰层设置在所述基材层的表面；所述亲水结构层设置在所述修饰层的表面；所述基材层是聚合物材料、金属材料、无机非金属材料或它们的复合材料；所述修饰层是用疏水剂涂覆在将经过空气等离子体预处理过的基材层上形成的疏水修饰层；所述亲水结构层是具有亲水性聚合物颗粒的功能层。本发明新型仿沙漠甲虫结构复合材料可望用于材料水汽阻隔能力提升、沙漠集水、海水淡化等多种领域，且该新型结构的制备工艺简单，设备要求低，成本低，亲水部分与疏水表面具有粘附力强、结构稳定等优势，具有很高的市场价值和经济价值。

Description

一种仿沙漠甲虫结构复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水汽阻隔功能复合材料制备技术领域，具体涉及了仿沙漠甲虫结构复合材料及其制备方法，特别是一种具有仿沙漠甲虫结构的水汽阻隔功能复合材料及其制备方法。
背景技术
沙漠甲虫凭借由疏水区和亲水区组成的表面崎岖不平的外壳收集大量水滴，水汽遇到沙漠甲虫结构表面，会凝结为雾滴，当液滴的体积大小增长到临界尺度当自身重力大于粘附力时，液滴即会离开表面，从而实现液滴的收集或阻止水汽在表面的进一步渗透。由于仿沙漠甲虫结构在疏水区表面存在亲水组成部分，二者的极性差异较大，因而亲水部分在疏水表面的粘附力较弱，结构稳定性较差。
因此，如何设计一种新型的仿沙漠甲虫结构，且其具有制备工艺简单、设备要求低、成本低等优势，同时其亲水部分与疏水表面的具有粘附力强、结构稳定等优势，对扩展仿沙漠甲虫材料在水汽阻隔、沙漠集水、海水淡化等多种领域的应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中仿沙漠甲虫结构的亲水部分在疏水表面的粘附力较弱，结构稳定性较差的不足，提供一种具有仿沙漠甲虫结构复合材料及其制备方法。
本发明新型仿沙漠甲虫结构复合材料具有良好的水汽阻隔性能，可望用于材料水汽阻隔能力提升、沙漠集水、海水淡化等多种领域，且该新型结构的制备工艺简单，设备要求低，成本低，亲水部分与疏水表面具有粘附力强、结构稳定等优势，具有很高的市场价值和经济价值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种仿沙漠甲虫结构复合材料，包括基材层、修饰层和亲水结构层；
所述修饰层设置在所述基材层的表面；
所述亲水结构层设置在所述修饰层的表面；
所述基材层是聚合物材料、金属材料、无机非金属材料或它们的复合材料；
所述修饰层是用疏水剂涂覆在将经过空气等离子体预处理过的基材层上形成的疏水修饰层；
所述亲水结构层是具有亲水性聚合物颗粒的功能层。
本发明仿沙漠甲虫结构复合材料，具有水汽阻隔功能结构，通过在基材层和仿沙漠甲虫结构之间设置修饰层，同时实现了仿生结构的结合牢固性，以及仿生结构的亲水颗粒的均匀稳定结合效果。修饰层一方面是用疏水剂在经过空气等离子体预处理的基材层进行疏水修饰，实现牢固附着力的过渡层作用；另一方面疏水剂形成的修饰层是疏水修饰层，配合亲水结构层共同构成仿沙漠甲虫的疏水部分功能作用，进而通过修饰层和亲水结构层共同组建得到具有良好的仿沙漠甲虫的结构。
本发明复合材料中，基材层经过空气等离子体预处理，表面充分引入活性有机官能团，该有机基团可以有效提高基材层和结构层的粘附力，使得修饰层同时兼具疏水层和过渡层的作用，增强亲水部分与疏水部分共同构成仿生结构的稳定性。因而，本发明仿沙漠甲虫结构复合材料的水汽阻隔功能相较于一般的复合材料更加稳定，且疏水性能更加优秀。
进一步，所述亲水性聚合物主要由聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺中的至少一种组成，且至少含有水性聚氨酯和环氧树脂中的一种。
进一步，所述亲水结构层的亲水性聚合物颗粒尺寸不超过几微米，相比于现有技术普通的几百微米甚至毫米级别的仿沙漠甲虫结构尺寸更小、结构更精细，更加有利于对水汽的吸附和凝结，水汽阻隔效果更优，沙漠集水和海水淡化效率更优。例如亲水性聚合物颗粒尺寸不超5.0μm
进一步，所述亲水性聚合物颗粒是粒径0.1μm～5.0μm。通过所述亲水结构层和修饰层配合，分别形成仿生沙漠甲虫的疏水结构层和亲水结构层，利用所述亲水性聚合物颗粒吸附水汽成液滴，液滴聚集后由于疏水作用离开复合材料表面，达到很好的水汽阻隔作用。优选地，所述亲水性聚合物颗粒的大小为0.5μm～3.0μm。
本发明以沙漠甲虫亲水-疏水相间表面提高集水效率为理论基础，在疏水修饰层表面结合上特殊润湿性能的颗粒化图案表面。该物理结构能够吸附的水汽更快速的在结构表面聚集并脱离表面，从而实现在材料表面即将大部分水汽阻挡排除掉，进而减少水汽在复合材料内部的溶解和扩散，实现提高材料水汽阻隔性能的目的。
进一步的，所述基材层是由聚合物材料、金属材料和无机非金属材料中的至少一种制成。优选地，所述基材层是橡胶、金属板材、陶瓷中的任意一种。
优选地，所述基材层为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氯代对二甲苯、聚氯代间二甲苯、聚氯代邻二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、硅橡胶、不锈钢、铝、铜、铁、玻璃、陶瓷中的任意一种。
进一步，所述疏水剂是硅烷类疏水剂。
优选地，所述硅烷类疏水剂是3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷和1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的至少一种。
进一步，亲水结构层原料包括亲水聚合物(即亲水性聚合物)，以及水性聚氨酯和环氧树脂中的至少一种。所述水性聚氨酯和环氧树脂是可溶于水性溶剂的聚氨酯和可溶于水性溶剂的环氧树脂；所述亲水性聚合物是聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺中的至少一种。
水性聚氨酯或环氧树脂的引入可以进一步提高修饰层和结构层的粘附力，增强亲水部分与疏水部分的稳定性。同时，本发明用于形成亲水颗粒的聚合物还有部分会形成膜层连接颗粒和疏水修饰层，有利于进一步增加亲水颗粒部分和疏水表面的粘附力，从而提高仿沙漠甲虫结构的稳定性。
本发明的新型仿沙漠甲虫结构可将高水汽环境中的水汽分子主动吸附、凝结在其表面为水滴，然后主动将材料表面水滴排除，进而不断循环吸附、凝结、排除，将材料表面的高水汽环境主动改善为低水汽环境，减少水汽在材料内部的溶解和扩散，从而提高其水汽阻隔性能。同时该物理结构也可以更高效地实现集水、海水淡化等功能。
进一步，所述亲水结构层是采用水性溶剂溶解亲水聚合物，以及水性聚氨酯和环氧树脂中的至少一种，制成的溶液，涂覆干燥而成的。
进一步，所述水性溶剂是甲醇、乙醇、***、乙二醇***、乙酸乙酯、丙酮、丁酮、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
进一步，所述亲水聚合物的平均分子量为10000～10000000g/mol。分子量太低无法保证特殊亲水性聚合物颗粒的形成，以及形成亲水颗粒的聚合物还有部分会形成膜层连接颗粒和疏水修饰层，而分子量太高不利于聚合物在溶剂中的分散。
进一步的，在基材层的至少一个表面设置有修饰层，所述修饰层表面设置有若干个仿沙漠甲虫结构层。
进一步，所述复合材料表面的水接触角不低于60°，且不高于100°。控制仿生沙漠甲虫结构表面水接触角能够确保适宜的水滴凝聚以及排除效率，避免接触角过低时水滴凝聚过多未及时排出或接触角过高时水汽难以被吸附和凝结，从而更好地提高材料的水汽阻隔性能和集水、海水淡化等效率。
本发明的另一目的是为了提供上述具有仿沙漠甲虫结构的水汽阻隔功能复合材料的制备方法。为了更好地确保制备得到的仿沙漠甲虫结构复合材料按照本发明设计的结构结合形成牢固结构状态，本发明提供以下具体的制备工艺方法，以实现更好的材料综合性能。
一种上述仿沙漠甲虫结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、材料准备：
准备基材层：清洗干燥基材，用空气等离子体预处理基材层，备用；
准备第一溶液：将疏水剂在无水乙醇中分散均匀，得到第一溶液，备用；
准备第二溶液：将亲水结构层原料均匀分散在第二溶剂中，得到第二溶液，备用；
所述亲水结构层原料包括亲水聚合物，以及水性聚氨酯和环氧树脂中的至少一种；
所述亲水聚合物是聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺中的至少一种；
步骤2、涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂1～60s；然后，40～60℃干燥处理30～60min，得到含修饰层的基材层；
步骤3、涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂1～120s；然后在30～90℃处理30～120min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
本发明方法的基材层先经过空气等离子体预处理，然后用疏水剂在基材表面进行涂覆，通过分别准备第一溶液和第二溶液，按照一定顺序涂覆在基材层的表面，经过干燥处理，利用亲水-疏水相间表面提高集水效率为理论基础，实现一种水汽阻隔功能复合材料的制备。该水汽阻隔功能复合材料表面的修饰层和亲水结构层由于制备涂覆的顺序缘故，可以形成了仿沙漠甲虫结构，并且仿沙漠甲虫结构与基材层之间形成了较强的粘附力，使得整个材料的稳定性更好。
相比于一般的仿生沙漠甲虫结构而言，具有高效成型的特点，可以在很短的时间内完成大量一致性优良的仿生沙漠甲虫结构层涂覆程序。其次，本发明工艺方法无需昂贵的设备或复杂的工艺，并且其制备工艺具有普适性强、基材选择丰富、工艺简单易于大规模制备，具有利于实际应用生产、生产成本低、适用范围宽等优点。
进一步，步骤1中，用空气等离子体预处理基材的具体操作如下：用空气等离子体预处理基材，其中空气等离子体预处理电压为50～200V，处理时间为1～60s。
进一步，步骤1中，准备第一溶液的具体操作如下：将疏水剂加入无水乙醇中，在温度为30～40℃的水浴中磁力加热搅拌分散5～30min，搅拌速率为1000～2000r/min，配制成质量浓度为0.1～2.0％的溶液并分散均匀，得到第一溶液。
进一步，步骤1中，准备第二溶液的具体操作如下：将第一组份和第二组份加入混合溶剂，在温度为30～95℃的水浴中磁力加热搅拌分散5～120min，搅拌速率为1000～2000r/min，配制成溶液并分散均匀，得到第二溶液；
所述第一组份质量浓度为0.5～20.0％；所述第一组份是聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺中的至少一种；
所述第二组份质量浓度为0.05～2.0％；所述第二组份是水性聚氨酯和环氧树脂中的至少一种。
进一步的，所述步骤1中，所述混合溶剂是甲醇、乙醇、***、乙二醇***、乙酸乙酯、丙酮、丁酮、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种与去离子水形成的混合溶剂，其中所述去离子水的质量浓度为30.0～70.0％。
通过将制备亲水结构层的原料溶解于混合溶剂中，然后涂覆于经疏水剂处理的修饰层表面，然后利用结构层聚合物和溶剂的相互作用，从而形成微观的仿生沙漠甲虫结构。其中，第一组份即为亲水聚合物，第二组份即为水性聚氨酯和环氧树脂中的至少一种。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明制备的具有仿沙漠甲虫结构的水汽阻隔功能复合材料，通过修饰层和亲水结构层形成仿沙漠甲虫结构。一方面，修饰层用疏水剂和将经过空气等离子体预处理基材层进行疏水修饰结合形成修饰层，不仅起着仿沙漠甲虫的疏水部分的功能作用；而且，另一方面，经过空气等离子体预处理后的基材层表面可以充分引入有机基团，该有机基团可以有效提高基材层和结构层的粘附力，增强亲水部分与疏水部分的稳定性，因而可以使得制备的水汽阻隔功能复合材料的稳定性更好。
2、本发明仿沙漠甲虫结构复合材料以沙漠甲虫亲水-疏水相间表面提高集水效率为理论基础，构建形成不同于在平整光滑疏水表面含有亲水颗粒的一种新型仿沙漠甲虫结构。利用修饰层作为过渡，并同时和亲水结构层共同配合构筑具有特殊润湿性能的图案表面，达到仿生沙漠甲虫的效果。该物理结构的复合材料有利于吸附的水汽更快速的在结构表面聚集并脱离表面，从而实现在材料表面即将大部分水汽阻挡排除掉，进而减少水汽在复合材料内部的溶解和扩散，实现提高材料水汽阻隔性能的目的。
3、本发明复合材料的亲水结构层由可溶于水性溶剂的聚氨酯和可溶于水性溶剂的环氧树脂中的至少一种制成，水性聚氨酯或环氧树脂的引入可以进一步提高修饰层和结构层的粘附力，增强亲水部分与疏水部分的稳定性。同时，本发明用于形成亲水颗粒的聚合物还有部分会形成膜层连接颗粒和疏水修饰层，有利于进一步增加亲水颗粒部分和疏水表面的粘附力，从而提高仿沙漠甲虫结构的稳定性。
4.、本发明制备的新型仿沙漠甲虫结构的亲水颗粒尺寸不超过几十微米，比普通的几百微米甚至毫米级别的仿沙漠甲虫结构尺寸更小、结构更精细，更加有利于对水汽的吸附和凝结，效果更优；同时其集水和海水淡化效率更高。
5、本发明方法中对基材层采用空气等离子体预处理，然后用疏水剂在基材表面进行涂覆，通过分别准备第一溶液和第二溶液，按照一定顺序涂覆在基材层的表面，经过干燥处理，制备成型效率高，生产加工速度快。且仿沙漠甲虫结构与基材层之间形成了较强的粘附力，使得整个材料的稳定性更好。
6、本发明工艺方法无需昂贵的设备或复杂的工艺，并且其制备工艺具有普适性强、基材选择丰富、工艺简单易于大规模制备，具有利于实际应用生产、生产成本低、适用范围宽等优点。
附图说明
图1是本发明仿沙漠甲虫的横截面示意图。
图标：1-基材层；2-修饰层；3-亲水结构层。
图2是本发明实施例2复合材料电镜图。
图3是本发明实施例6复合材料电镜图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的聚乙烯基材用50V的空气等离子体预处理60s，备用；
准备第一溶液：将3-氨基丙基三乙氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为30℃，搅拌速率为1000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散30min，配制成质量浓度0.1％的溶液，即得到第一溶液，备用。
准备第二溶液：将平均分子量为8000000g/mol的聚丙烯酰胺以及水性聚氨酯，加入第二溶剂；控制聚丙烯酰胺的质量浓度为0.5％，控制水性聚氨酯质量分数为0.05％。所述第二溶剂是丙酮与质量浓度为70.0％的去离子水形成的第二溶剂。在温度为90℃，搅拌速率为2000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散5min，得到第二溶液，备用。
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂60s；然后，60℃干燥处理30min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂120s；然后在90℃处理60min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.1～1.0μm。所述复合材料表面的水接触角67°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角69°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例2
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的聚对苯二甲酸乙二醇酯基材用100V的空气等离子体预处理30s，备用；
准备第一溶液：将γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为40℃，搅拌速率为1500r/min的水浴中磁力加热搅拌分散10min，配制成质量浓度为0.5％的溶液，得到第一溶液，备用；
准备第二溶液：将平均分子量为720000g/mol的聚乙烯醇以及水性环氧树脂加入第二溶剂。控制聚乙烯醇质量浓度为2.0％，控制水性环氧树质量分数为0.2％。所述第二溶剂是乙醇与质量浓度为60.0％的去离子水形成的第二溶剂。在温度为70℃，搅拌速率为1000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散30min，得到第二溶液，备用；
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂40s；然后，60℃干燥处理30min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂120s；然后在70℃处理90min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.1～1.5μm。所述复合材料表面的水接触角74°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角78°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例3
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的聚氯代对二甲苯基材用150V的空气等离子体预处理15s，备用；
准备第一溶液：将质量浓度为1.0％的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为30℃，搅拌速率为1500r/min的水浴中磁力加热搅拌分散20min，得到第一溶液，备用；
准备第二溶液：将聚乙二醇、水性聚氨酯加入第二溶剂中，50℃水浴加热、磁力搅拌分散90min，搅拌速率为1200r/min，得到第二溶液。所述第二溶剂是由N,N-二甲基甲酰胺与质量浓度为50.0％的去离子水组成的混合溶剂。控制第二溶液中聚乙二醇的质量浓度为5.0％，水性聚氨酯的质量分数为0.5％。
即将平均分子量为90000g/mol的聚乙二醇以及水性聚氨酯加入第二溶剂。其中，聚乙二醇质量浓度为5.0％，水性聚氨酯质量分数为0.5％。所述第二溶剂是N,N-二甲基甲酰胺与质量浓度为50.0％的去离子水形成的第二溶剂。然后，在温度为50℃，搅拌速率为1200r/min的水浴中磁力加热搅拌分散90min，得到第二溶液，备用；
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂30s；然后，50℃干燥处理45min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂90s；然后在50℃处理90min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.3～2.0μm。所述复合材料表面的水接触角72°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角75°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例4
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的聚甲基丙烯酸甲酯基材用200V的空气等离子体预处理5s，备用；
准备第一溶液：将1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷疏水剂加入无水乙醇，控制质量浓度为1.5％。在温度为40℃条件下，搅拌速率为1500r/min的水浴中磁力加热搅拌分散30min，得到第一溶液，备用；
准备第二溶液：将平均分子量为75000g/mol的羟乙基纤维素、水性环氧树脂加入第二溶剂中，所述第二溶剂是乙二醇***与质量浓度为40.0％的去离子水形成的混合溶剂。控制混合溶液中羟乙基纤维素质量浓度为10.0％，控制水性环氧树脂的质量分数为1.0％。在温度为30℃，搅拌速率为1500r/min的水浴中磁力加热搅拌分散120min，得到第二溶液，备用；
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂20s；然后，50℃干燥处理45min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂90s；然后在30℃处理120min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.5～2.5μm。所述复合材料表面的水接触角96°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角99°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例5
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的聚四氟乙烯基材用200V的空气等离子体预处理10s，备用；
准备第一溶液：将质量浓度为2.0％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为30℃，搅拌速率为2000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散30min，得到第一溶液，备用。
准备第二溶液：按照以下目标配制第二溶液，将平均分子量为10000g/mol的羟乙基纤维素按照质量浓度15.0％进行添加，将水性聚氨酯按照质量分数1.5％添加，溶质选择N-甲基吡咯烷酮与质量浓度为30.0％的去离子水形成的第二溶剂。然后，在温度为30℃，搅拌速率为2000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散120min，得到第二溶液，备用。
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂10s；然后，40℃干燥处理30min，得到含修饰层的基材层。
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂70s；然后在30℃处理120min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为1.0～3.5μm。所述复合材料表面的水接触角88°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角92°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例6
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的硅橡胶基材用100V的空气等离子体预处理10s，备用；
准备第一溶液：将质量浓度为1.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为40℃，搅拌速率为2000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散20min，得到第一溶液，备用。
准备第二溶液：将平均分子量为10000g/mol的聚乙二醇、水性环氧树脂加入第二溶剂中，控制聚乙二醇质量浓度为20.0％，控制水性环氧树脂质量分数为2.0％。所述第二溶剂是乙酸乙酯与质量浓度为30.0％的去离子水形成的第二溶剂。在温度为50℃，搅拌速率为1500r/min的水浴中磁力加热搅拌分散90min，得到第二溶液，备用。
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂2s；然后，40℃干燥处理30min，得到含修饰层的基材层。
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂70s；然后在50℃处理90min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为2.0～5.0μm。所述复合材料表面的水接触角75°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角78°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例7
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的不锈钢基材用50V的空气等离子体预处理10s，备用；
准备第一溶液：将3-氨基丙基三乙氧基硅烷疏水剂与无水乙醇，在温度为30℃，搅拌速率为2000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散10min，得到第一溶液，控制第一溶液中3-氨基丙基三乙氧基硅烷疏水剂的质量浓度为1.0％。
准备第二溶液：将平均分子量为450000g/mol的聚丙烯酸以及水性聚氨酯加入第二溶剂中。然后，80℃水浴加热，磁力搅拌分散10min，搅拌速率为1000r/min，得到第二溶液，备用。所述第二溶剂是乙醇与质量浓度为70.0％的去离子水形成的第二溶剂。控制所得溶液中，聚丙烯酸的质量浓度为15.0％，水性聚氨酯质量分数为2.0％。
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂5s；然后，40℃干燥处理45min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂50s；然后在70℃处理90min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为1.5～4.5μm。所述复合材料表面的水接触角64°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角66°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例8
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的铝基材用50V的空气等离子体预处理30s，备用；
准备第一溶液：将质量浓度为0.5％的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为40℃，搅拌速率为1500r/min的水浴中磁力加热搅拌分散10min，得到第一溶液，备用；
准备第二溶液：将平均分子量为1250000g/mol的聚丙烯酸以及水性聚氨酯加入第二溶剂。控制聚丙烯酸在溶液中的质量浓度为10.0％，水性聚氨酯在溶液中的质量分数为1.5％。所述第二溶剂是N,N-二甲基乙酰胺与质量浓度为60.0％的去离子水形成的第二溶剂，在温度为70℃，搅拌速率为1000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散20min，得到第二溶液，备用；
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂10s；然后，40℃干燥处理45min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂50s；然后在90℃处理30min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.5～4.0μm。所述复合材料表面的水接触角78°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角82°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例9
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的玻璃基材用50V的空气等离子体预处理60s，备用；
准备第一溶液：将1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为30℃，搅拌速率为1000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散20min，得到第一溶液，控制1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷疏水剂的质量浓度为0.2％。
准备第二溶液：将平均分子量为3000000g/mol的聚丙烯酸、水性环氧树脂加入第二溶剂中，所述第二溶剂是乙醇与质量浓度为40.0％的去离子水形成的第二溶剂。然后，在温度为60℃水浴加热，磁力搅拌分散50min，搅拌速率为1500r/min，得到第二溶液，备用。配制得到的第二溶液中，聚丙烯酸质量浓度为5.0％，水性环氧树脂质量分数为1.0％。
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂20s；然后，50℃干燥处理60min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂20s；然后在70℃处理60min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.5～3.0μm。所述复合材料表面的水接触角94°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角97°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
实施例10
步骤1：
准备基材层：将清洗干燥后的陶瓷基材用100V的空气等离子体预处理60s，备用；
准备第一溶液：将质量浓度为1.0％的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷疏水剂与无水乙醇在温度为40℃，搅拌速率为1000r/min的水浴中磁力加热搅拌分散20min，得到第一溶液，备用；
准备第二溶液：将平均分子量为4000000g/mol的聚丙烯酸以及水性聚氨酯加入第二溶剂，所述第二溶剂是丁酮与质量浓度为30.0％的去离子水形成的第二溶剂。然后，在温度为40℃，搅拌速率为1500r/min的水浴中磁力加热搅拌分散120min，得到第二溶液，备用；控制第二溶液中，聚丙烯酸的质量浓度为1.0％，水性聚氨酯质量分数为0.1％。
步骤2：
涂覆修饰层：使用第一溶液，在基材层表面浸涂40s；然后，60℃干燥处理60min，得到含修饰层的基材层；
步骤3：
涂覆亲水结构层：使用第二溶液，在含修饰层的基材层的表面浸涂5s；然后在50℃处理60min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.1～2.5μm。所述复合材料表面的水接触角69°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角73°，结果表明样品亲水涂层部分在水中仍具有较好的稳定性。
对比实施例1
与实施例6相比较而言，仅第一溶液中不含有疏水剂处理步骤，依靠硅橡胶本身疏水性和第二溶液的亲水聚合物颗粒得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为0.5～4.5μm。所述复合材料表面的水接触角86°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角114°，结果表明样品水接触角为86°比实施例6中最初的75°更高，因而亲水涂层部分直接在硅橡胶表面粘附力弱，浸泡前粘附量小；此外浸泡后接触角升高为114°，比实施例6中与浸泡前几乎不变的78°升高了很多，从而表明样品大部分亲水聚合物脱落，在水中稳定性较差。
对比实施例2
与实施例6相比较而言，仅第二溶液中未添加水性环氧树脂，其它一样从而得到仿沙漠甲虫结构复合材料。
所述亲水性聚合物颗粒的直径为2.0～5.0μm。所述复合材料表面的水接触角82°，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，其表面的水接触角109°，结果表明样品水接触角为82°比实施例6中最初的75°略高，因而亲水涂层部分在γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷疏水剂修饰后的硅橡胶表面粘附力仍偏弱，浸泡前粘附量略小；此外浸泡后接触角升高为109°，比实施例6中与浸泡前几乎不变的78°升高了很多，从而表明样品大部分亲水聚合物脱落，在水中稳定性较差。
性质测试：
将上述实施例通过接触角仪测试复合材料表面的接触角大小，通过扫描电子显微镜测试复合材料表面的亲水性聚合物颗粒的直径大小，将各样品在去离子水中浸泡5天后60℃干燥60min后再测试其WCA，从而判断其稳定性，测试结果如下表所示。
表1复合材料性能
亲水性聚合物颗粒的直径(μm) 浸泡前接触角(°) 浸泡后接触角(°)
实施例1 0.1～1.0 67 69
实施例2 0.1～1.5 74 78
实施例3 0.3～2.0 72 75
实施例4 0.5～2.5 96 99
实施例5 1.0～3.5 88 92
实施例6 2.0～5.0 75 78
实施例7 1.5～4.5 64 66
实施例8 0.5～4.0 78 82
实施例9 0.5～3.0 94 97
实施例10 0.1～2.5 69 73
对比实施例1 0.5～4.5 86 114
对比实施例2 2.0～5.0 78 109
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种仿沙漠甲虫结构复合材料，其特征在于，包括基材层（1）、修饰层（2）和亲水结构层（3）；
所述修饰层（2）设置在所述基材层（1）的表面；
所述亲水结构层（3）设置在所述修饰层（2）的表面；
所述基材层（1）是聚合物材料、金属材料、无机非金属材料或它们的复合材料；
所述修饰层（2）是用疏水剂涂覆在将经过空气等离子体预处理过的基材层（1）上形成的疏水修饰层（2）；
所述亲水结构层（3）是具有亲水性聚合物颗粒的功能层；所述亲水性聚合物主要由聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺中的至少一种组成，且至少含有水性聚氨酯和环氧树脂中的一种；所述亲水性聚合物颗粒的粒径为0.1 μm～5.0 μm；所述亲水聚合物颗粒的原料的平均分子量为10000~10000000 g/mol；包括以下步骤：
步骤1、材料准备：
准备基材层（1）：清洗干燥基材，用空气等离子体预处理基材层，备用；
准备第一溶液：将疏水剂在无水乙醇中分散均匀，得到第一溶液，所述第一溶液的质量浓度为0.1%～2.0%，备用；所述疏水剂是3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三甲氧基硅烷、1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三乙氧基硅烷、1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三甲氧基硅烷和1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的至少一种；
准备第二溶液：将亲水结构层（3）原料均匀分散在第二溶剂中，得到第二溶液，备用；
准备第二溶液的具体操作如下：将第一组份和第二组份加入混合溶剂，在温度为30～95 ℃的水浴中磁力加热搅拌分散5～120 min，搅拌速率为1000～2000 r/min，配制成溶液并分散均匀，得到第二溶液；
所述第一组份质量浓度为0.5～20.0%；所述第一组份是聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺中的至少一种；
所述第二组份质量浓度为0.05~2.0%；所述第二组份是水性聚氨酯和环氧树脂中的至少一种；
所述混合溶剂是甲醇、乙醇、***、乙二醇***、乙酸乙酯、丙酮、丁酮、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种与去离子水形成的混合溶剂，其中所述去离子水的质量浓度为30.0~70.0%；步骤2、涂覆修饰层（2）：使用第一溶液，在基材层（1）表面浸涂1~60 s；然后，40~60 ℃干燥处理30~60 min，得到含修饰层（2）的基材层（1）；
步骤3、涂覆亲水结构层（3）：使用第二溶液，在含修饰层（2）的基材层（1）的表面浸涂1~120 s；然后在30～90 ℃处理30～120 min，得到仿沙漠甲虫结构复合材料；所述复合材料表面的水接触角不低于60°，且不高于100°。
2.根据权利要求1所述仿沙漠甲虫结构复合材料，其特征在于，步骤1中，用空气等离子体预处理基材层的具体操作如下：用空气等离子体预处理基材，其中空气等离子体预处理电压为50～200V，处理时间为1～60 s。
3.根据权利要求1所述仿沙漠甲虫结构复合材料，其特征在于，步骤1中，准备第一溶液的具体操作如下：将疏水剂加入无水乙醇中，在温度为30～40 ℃的水浴中磁力加热搅拌分散5～30 min，搅拌速率为1000～2000 r/min，配制成质量浓度为0.1～2.0%的溶液并分散均匀，得到第一溶液。
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