CN114920982B - 一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层 - Google Patents

一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层 Download PDF

Info

Publication number
CN114920982B
CN114920982B CN202210527784.8A CN202210527784A CN114920982B CN 114920982 B CN114920982 B CN 114920982B CN 202210527784 A CN202210527784 A CN 202210527784A CN 114920982 B CN114920982 B CN 114920982B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pdms
coating
porous
micro
smooth liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210527784.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114920982A (zh
Inventor
李姝靓
麦贤敏
王晓亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Minzu University
Original Assignee
Southwest Minzu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Minzu University filed Critical Southwest Minzu University
Priority to CN202210527784.8A priority Critical patent/CN114920982B/zh
Publication of CN114920982A publication Critical patent/CN114920982A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114920982B publication Critical patent/CN114920982B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/36—After-treatment
    • C08J9/365—Coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D183/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D183/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40—Additives
    • C09D7/60—Additives non-macromolecular
    • C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2383/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
    • C08J2383/10—Block- or graft-copolymers containing polysiloxane sequences
    • C08J2383/12—Block- or graft-copolymers containing polysiloxane sequences containing polyether sequences
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2483/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
    • C08J2483/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2237—Oxides; Hydroxides of metals of titanium
    • C08K2003/2241—Titanium dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Paints Or Removers (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明涉及一种具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将毫米级的糖块和聚二甲基硅氧烷/全氟聚醚乳液(PDMS/PFPE)进行混合，待PDMS/PFPE乳液固化后，用水将糖块和没有被包覆的PFPE微液滴洗出，即形成了具有微米至毫米级孔径的分级多孔PDMS结构；将由微纳米颗粒、PDMS预聚物组成的微纳米颗粒分散液涂覆在分级多孔PDMS表面上，干燥后将PFPE灌注到微纳米颗粒涂覆的多孔PDMS中，垂直静置，得到具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层。该制备方法工艺简单、成本廉价，制得的光滑液体灌注多孔涂层具有自发的表面液膜补充更新性能和稳定可靠的低摩擦磨损性能，且通过改变微纳米颗粒的种类赋予了该光滑液体灌注多孔涂层丰富的功能性，如辐射制冷性能、拉伸传感性能、图案化润湿性等。

Description

一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层
技术领域
本发明涉及一种涂层及其制备方法和应用，尤其涉及一种具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层及其制备方法和应用。
背景技术
光滑液体灌注多孔涂层不是利用涂层微结构直接排斥外来液体，而是利用它们来锁住一种中间液体，然后将这层中间液体作为排斥外来液体的涂层，形成“固体/液体复合膜层”的高度稳定状态。其具有低的滞后角和滚动角、优异的疏液性，无论对高表面能液体还是低表面能液体，光滑液体灌注多孔涂层都有良好的排斥作用。然而，在服役过程中，高温、水流冲击、结冰解冻循环等环境因素，容易造成光滑液体灌注多孔涂层中的润滑液体流失，造成光滑液体灌注多孔涂层失效。长期服役过程中，光滑液体灌注多孔涂层也面临着终将失效的潜在问题。
目前，通常需要采用相对复杂的方法来制备具有长效服役性能的光滑液体灌注多孔表面，廉价、高效、快速的制备方法仍然是具有挑战性的。而当前基于多孔结构或胶囊结构构筑的光滑液体灌注多孔表面的液膜补充和更新通常依赖于外场刺激(如现有技术文献1)，基于凝胶结构构筑的光滑液体灌注多孔表面的自发液膜补充和更新周期通常较长(如现有技术文献2)，如何实现光滑液体灌注多孔表面自调节释放润滑油，并在短时间内形成稳定可靠的表面光滑液膜仍然需要探索，以及如何在保证光滑液体灌注多孔表面具有自调节释放润滑油和稳定可靠的低摩擦磨损性能的同时，赋予光滑液体灌注多孔表面更多的功能性是当前科研人员面临的一大难题。
现有技术文献文献1：Shao M,Li S,Duan C,et al.Cobweb-like structuralstimuli-responsive composite with oil warehouse and transportation system foroil storage and recyclable smart-lubrication[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2018,10(48):41699-41706.
文献2：Cui J,Daniel D,Grinthal A,et al.Dynamic polymer systems withself-regulated secretion for the control of surface properties and materialhealing[J].Nature Materials,2015,14(8):790-795.
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，首次提出一种简单的“梯度孔隙”策略，适用于制造多功能、自调节光滑液体灌注多孔涂层。该涂层由两部分组成：一部分为基于具有微米至毫米级孔径的多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)的“储油罐”。以毫米级的糖作为模板和聚二甲基硅氧烷/全氟聚醚乳液(PDMS/PFPE)进行混合，待PDMS/PFPE乳液固化后，用水将糖模板和没有被包覆的PFPE微液滴洗出，即形成了具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构，其中毫米级孔隙被微米级孔隙包围。大的孔隙导致这种多孔PDMS结构可以容纳更高含量的润滑液，即作为大容量“补给腔”。同时，微米级的孔隙提高了大孔结构的粗糙度，为微纳米颗粒的粘附提供了更大的表面积。另一部分为基于各种微纳米颗粒构筑的“抽吸泵”。采用滴涂或喷涂等简单的涂覆方法，在上述多孔PDMS骨架上涂覆一层微/纳米颗粒。一旦涂层润滑层被消耗，在没有外部刺激的情况下，在涂层微纳米颗粒毛细作用力的驱动下，内部储存的润滑油将被泵送到涂层表面，涂层微纳米颗粒形成的粗糙结构可以进一步将润滑油牢牢的吸附住，从而再生出稳定可靠的润滑层。
本发明还提供一种具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备具有微米至毫米级孔径的分级多孔PDMS结构；
首先，将一定质量比的聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物和全氟聚醚油(PFPE)混合搅拌，直至形成白色乳液，将一定质量的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，再在80℃下固化4h，最后在100℃的去离子水中超声1h，从而制得具有微米至毫米级孔径的分级多孔PDMS结构；
步骤2：制备梯度多孔结构光滑注液涂层；
将一定质量比的微纳米颗粒、PDMS预聚物分散在20mL乙醇中，然后进行超声处理2h以获得均匀的微纳米颗粒分散液，将1mL分散良好的微纳米颗粒溶液滴涂或喷涂在2cm×2cm×1mm的多孔PDMS表面上，然后将微纳米颗粒涂覆的PDMS置于80℃的烘箱中烘干2h，使溶剂完全蒸发；最后，干燥后的样品在去离子水中再次进行超声波处理30min，并在25℃下干燥，将PFPE灌注到微纳米颗粒涂覆的多孔PDMS中，垂直静置12h，从而制得纳米颗粒修饰的光滑注液涂层。
进一步地，所述微纳米颗粒为TiO2、SiO2、钴微粒、铜微粒、壳聚糖微粉、荧光粉、夜光粉、普鲁士蓝粉、聚四氟乙烯微球、炭黑(CB)中的至少一种。
进一步地，所述步骤1中PDMS预聚物和PFPE的质量比为4:1，所述步骤2中微纳米颗粒与PDMS预聚物的质量比1:1.25。
进一步地，所述多孔涂层具有1-19μm的表面粗糙度。
进一步地，通过改变微纳米颗粒的种类赋予了该光滑液体灌注多孔涂层丰富的功能性，TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层具有优异的辐射制冷性能，CB纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层具有良好的拉伸传感性能，TiO2/SiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层具有图案化润湿性等。
采用本发明提供的技术方案，具有如下技术效果：
(1)首次提出一种简单的“梯度孔隙”策略，采用一种廉价、高效、快速的制备方法制备得到具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层，该结构包括从纳米级到微米级、毫米级的孔隙，以糖为模板构建毫米级孔隙，毫米级的大孔径可以使多孔PDMS容纳更多的润滑油，微米级孔隙则来源于PFPE、PDMS微相分离后形成的PFPE微液滴，表面微纳米粒子形成纳米级孔隙，便于表面的微纳粒子通过毛细作用力向表面的孔隙结构泵送润滑油，以达到自发更新表面润滑层的作用；
(2)涂层中大部分颗粒间并未完全分离，而是通过类似“胶水”的PDMS彼此相连，使得微纳粒子之间、微纳粒子与基底表面之间具有更紧密的界面，从而具有更稳定、耐磨的粗糙表面结构；
(3)只要表面粗糙度满足在1.155-18.937μm范围内，本发明所述的梯度分级多孔结构光滑液体灌注多孔涂层均具有自发的表面润滑液体更新能力，并不依赖于表面微纳米颗粒的种类，可以根据目标功能自由选择微纳米颗粒；
(4)只要表面粗糙度满足要求，更换微纳米颗粒种类可以赋予梯度分级多孔结构光滑液体灌注多孔涂层更多的功能性，如辐射制冷性能、拉伸传感性能、图案化润湿性等。
因此，该光滑注液涂层能够自发的对表面液膜进行补充更新，克服了光滑注液涂层普遍存在的表面液膜易流失、液膜补充依赖于外场刺激的问题，显著提高了涂层在摩擦条件下的耐久性，且赋予光滑注液涂层更多的功能性。
附图说明
图1梯度多孔结构光滑注液涂层的制备示意图；
图2具有梯度分级多孔结构的PDMS(a)横截面和(b)孔壁的SEM图像；
图3由PDMS、硅油和糖模板形成的多孔结构(a)横截面和(b)孔壁的SEM图像；
图4(a)TiO2,(b)SiO2/TiO2,(c)SiO2,(d)CB涂覆的多孔PDMS基底表面的SEM图像；
图5(a)TiO2,(b)TiO2/SiO2,(c)SiO2,(d)CB和(e)bare光滑注液涂层表面润滑层自发更新过程的光学显微图像；
图6清洗表面润滑层后(a)TiO2,(b)SiO2/TiO2,(c)SiO2,(d)CB光滑注液涂层的表面轮廓图；
图7(a)各光滑注液涂层的动摩擦系数(KFC)与载荷的函数关系图，(b)在0.5N载荷下，不同光滑注液涂层的KFC与滑动循环次数的函数关系图；
图8(a)小拉伸应变0.5％，1％，2％和4％，(b)大拉伸应变5％，10％，20％，30％，40％和50％下的相对电流变化的曲线；
图9拉伸应变为30％的循环测试；
图10指关节涂覆有CB修饰的光滑注液涂层的手套对手指抓取(a)3cm和(b)5cm直径的容器动作监测的相对电流变化曲线；
图11甲基蓝水溶液(a)铺展前，(b)铺展后，甲基绿乙醇溶液(c)铺展前，(d)铺展后的TiO2/SiO2修饰的光滑注液涂层图片；
图12TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层的紫外-可见-近红外反射光谱；图13TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层傅里叶变换红外光谱；
图14TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层户外制冷效果：环境温度和涂层表面温度随时间的变化。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层的制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明中，若无特殊限定，所述制备方法中各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
实施例1
步骤1：具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构的制备；
首先，将4g PDMS预聚物与1g PFPE混合搅拌，直至形成白色乳液。将10g作为模板的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，将PDMS预聚物、PFPE、糖模板的混合物在80℃下固化4h，以保证PDMS预聚物完全聚合。将混合物在100℃的去离子水中超声1h以去除糖模板，从而制备了具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构。
步骤2：梯度多孔结构光滑注液涂层的制备；
CB纳米颗粒修饰的光滑注液涂层的制备：将200mg CB纳米粒子、250mg PDMS预聚物分散在20mL乙醇中，然后进行超声处理2h以获得均匀的CB分散液。将1mL分散良好的CB溶液滴涂在2cm×2cm×1mm的多孔PDMS表面上，然后将CB涂覆的PDMS置于80℃的烘箱中烘干2h，使溶剂完全蒸发，同时也提高导电网络的稳定性。最后，干燥后的样品在去离子水中再次进行超声波处理30min，以去除多余的炭黑颗粒，并在25℃下干燥。将PFPE灌注到CB涂覆的多孔PDMS中，垂直静置12h，从而构建了CB纳米颗粒修饰的光滑注液涂层。
实施例2
步骤1：具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构的制备；
首先，将4g PDMS预聚物与1g PFPE混合搅拌，直至形成白色乳液。将10g作为模板的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，将PDMS预聚物、PFPE、糖模板的混合物在80℃下固化4h，以保证PDMS预聚物完全聚合。将混合物在100℃的去离子水中超声1h以去除糖模板，从而制备了具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构。
步骤2：梯度多孔结构光滑注液涂层的制备；
SiO2/TiO2纳米颗粒修饰的光滑注液涂层的制备：将100mg SiO2纳米粒子、100mgTiO2纳米粒子、250mg PDMS预聚物分散在20mL乙醇中，然后进行超声处理2h以获得均匀的SiO2/TiO2分散液。将1mL分散良好的SiO2/TiO2溶液喷涂在2cm×2cm×1mm的多孔PDMS表面上，然后将SiO2/TiO2涂覆的PDMS置于80℃的烘箱中烘干2h，使溶剂完全蒸发。将PFPE灌注到SiO2/TiO2涂覆的多孔PDMS中，垂直静置12h，从而构建了SiO2/TiO2纳米颗粒修饰的光滑注液涂层。
实施例3
步骤1：具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构的制备；
首先，将4g PDMS预聚物与1g PFPE混合搅拌，直至形成白色乳液。将10g作为模板的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，将PDMS预聚物、PFPE、糖模板的混合物在80℃下固化4h，以保证PDMS预聚物完全聚合。将混合物在100℃的去离子水中超声1h以去除糖模板，从而制备了具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构。
步骤2：梯度多孔结构光滑注液涂层的制备；
SiO2纳米颗粒修饰的光滑注液涂层的制备：将200mg SiO2纳米粒子、250mg PDMS预聚物分散在20mL乙醇中，其余步骤与上述制备SiO2/TiO2纳米颗粒修饰的光滑注液涂层的步骤相同。
实施例4
步骤1：具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构的制备；
首先，将4g PDMS预聚物与1g PFPE混合搅拌，直至形成白色乳液。将10g作为模板的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，将PDMS预聚物、PFPE、糖模板的混合物在80℃下固化4h，以保证PDMS预聚物完全聚合。将混合物在100℃的去离子水中超声1h以去除糖模板，从而制备了具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构。
步骤2：梯度多孔结构光滑注液涂层的制备
TiO2纳米颗粒修饰的光滑注液涂层的制备：将200mg TiO2纳米粒子、250mg PDMS预聚物分散在20mL乙醇中，其余步骤与上述制备SiO2纳米颗粒修饰的光滑注液涂层的步骤相同。
对比例1
步骤1：多孔PDMS结构的制备；
首先，将4g PDMS预聚物与1g硅油混合搅拌，再将10g作为模板的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，将PDMS预聚物、PFPE、糖模板的混合物在80℃下固化4h，以保证PDMS预聚物完全聚合。将混合物在100℃的去离子水中超声1h以去除糖模板，从而制备了多孔PDMS结构。
对比例2
步骤1：具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构的制备；
首先，将4g PDMS预聚物与1g PFPE混合搅拌，直至形成白色乳液。将10g作为模板的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，将PDMS预聚物、PFPE、糖模板的混合物在80℃下固化4h，以保证PDMS预聚物完全聚合。将混合物在100℃的去离子水中超声1h以去除糖模板，从而制备了具有微米至毫米级孔径的多孔PDMS结构。
步骤2：梯度多孔结构光滑注液涂层的制备
将PFPE灌注到多孔PDMS结构中，垂直静置12h，从而构建了光滑注液涂层。
测试与表征
1、通过扫描电子显微镜(Thermo Scientific Verios SEM)对PDMS的梯度分级多孔结构和微纳粒子涂覆后形成的多孔结构进行表征。
图2为具有梯度分级多孔结构的PDMS横截面的SEM图像，该结构包括从微米级到毫米级的孔隙。以糖为模板构建毫米级孔隙，毫米级的大孔径可以使多孔PDMS容纳更多的润滑油，微米级孔隙则来源于PFPE、PDMS微相分离后形成的PFPE微液滴。当PDMS/PFPE乳液与糖的混合物固化后，将混合物在去离子水中超声以去除糖模板，随着糖的溶解，未被PDMS基质完全包覆的糖模板周围的PFPE微液滴会脱离出PDMS骨架结构，从而在糖模板留下的毫米级孔隙的孔壁上留下由PFPE微液滴形成的微米级孔隙。图3为由PDMS、硅油和糖模板形成的多孔结构横截面的SEM图像(即对比例1)。通过对比由PDMS、硅油和糖模板形成的多孔结构，不难发现，该多孔结构孔壁表面非常光滑，在剖面上也未发现微米级孔径，与由PDMS、PFPE和糖模板形成的多孔结构有显著的差异，再一次证实了PFPE的加入可以在原有大孔隙的基础上形成微米级的孔隙。
通过喷涂或者滴涂将微纳粒子的乙醇分散液涂覆在具有梯度多孔结构的PDMS表面上，由于乙醇在PDMS表面上有良好的浸润性，所以分散液可以很好的在PDMS表面上铺展，待乙醇挥发后，原分散液中的微纳粒子和PDMS预聚物将铺展在多孔PDMS基底上，原分散液中的PDMS预聚物将起到“胶水”的作用，在干燥过程中，随着这些预聚物的固化交联，微纳粒子之间、微纳粒子与多孔PDMS基底之间可以通过交联的PDMS聚合物网络相连。如图4TiO2、SiO2/TiO2、SiO2和CB纳米颗粒涂覆在多孔PDMS基底表面所形成的多孔结构的SEM图像所示，涂层中有纳米级孔隙存在，这些孔隙与PDMS基底的微米级至毫米级的孔隙形成梯度孔隙结构，便于表面的微纳粒子通过毛细作用力向表面的微纳孔隙结构泵送润滑油，以达到自发更新表面润滑层的作用。同时，如图4所示，大部分颗粒间并未完全分离，而是通过类似“胶水”的PDMS彼此相连，使得微纳粒子之间、微纳粒子与基底表面之间具有更紧密的界面，从而具有更稳定、耐磨的粗糙表面结构。
2、用光学显微镜(AmScope ME 520TA)表征梯度多孔结构光滑注液涂层自调节润滑油分泌性能，在反射模式下拍摄润滑油分泌过程表面的光学显微图像。
为了研究梯度多孔结构光滑注液涂层的自调节表面润滑层更新行为，将其置于光学显微镜下观察并记录表面润滑层消耗后的自发更新过程。如图5(a)所示，TiO2修饰的光滑注液涂层表面逐渐变亮，即润滑油逐渐被吸附在TiO2纳米颗粒构筑的表面多孔结构中，经过55min完成了对表面润滑层的更新。TiO2/SiO2修饰的光滑注液涂层在清洗后的短短5min内则显示了明显的变亮，经过10min则完成了对表面润滑层的更新。随着颗粒间液桥体积的逐渐增大，颗粒间的毛细作用力逐渐减小，当表面润滑油吸附达到饱和后，就不再进行抽吸。如图5(b)所示，清洗后的10min到15min期间，TiO2/SiO2修饰的光滑注液涂层表面无明显的变化。如图5(c)所示，SiO2修饰的光滑注液涂层在清洗10min后可以完成对表面润滑层的自发更新。如5(d)所示，CB修饰的光滑注液涂层虽然具有与TiO2/SiO2和SiO2修饰的光滑注液涂层相似的表面润滑层更新周期，但表面亮度变化相对不明显。为了对比，本发明同样向未涂覆任何微纳颗粒的具有微米至毫米级孔径的多孔结构PDMS灌注了润滑油(即对比例2)，如图5(e)所示，没有发生明显的润滑层自更新行为，该结构固有的表面微米级孔隙引发了局部轻微的润滑油抽吸现象，然而这种轻微的吸附现象与微纳颗粒涂覆的光滑注液涂层的润滑层自更新行为有明显的差别，可以忽略不计。
3、利用非接触式白光轮廓仪(ZYGO NewView 500)获取各光滑注液涂层的粗糙度。
利用非接触式白光轮廓仪进一步考察各光滑注液涂层的粗糙度，图6为清洗表面润滑层后各光滑注液涂层的表面轮廓图，可知清洗表面润滑层后，TiO2修饰的光滑注液涂层的粗糙度Ra为1.155μm，CB修饰的涂层的Ra为3.602μm，由上述光学显微镜观察的结果可知，这两个涂层的表面润滑层自发更新周期较长。具有更高表面粗糙度的TiO2/SiO2修饰的涂层(Ra＝5.657μm)和SiO2修饰的涂层(Ra＝18.937μm)则表现出较短的表面润滑层自发更新周期，10min内即可实现润滑层的完全再生。即粗糙度与表面润滑层自更新行为有着密切的联系。
4、利用摩擦磨损试验机(Bruker UMT-TriboLab)对梯度多孔结构光滑注液涂层的减摩性能进行评估。
本发明通过滑动摩擦试验测量了各种梯度多孔结构光滑注液涂层的动摩擦系数(KFC)(图7(a))，以评估表面结构和光滑液膜对减摩的影响。首先，考察灌注了润滑油的未涂覆任何微纳颗粒的多孔结构PDMS(bare)的KFC，该bare样品表现出较高的KFC，并且随着外加载荷的增加，KFC值减小。经过微纳颗粒修饰后的光滑注液涂层表现出更低的KFC，将粗糙结构引入到表面不仅赋予了涂层自调节润滑油分泌性能，还会降低KFC，因为界面之间的接触面积减少。其中，CB纳米颗粒修饰的光滑注液涂层的KFC随着外加载荷的增加逐渐减小，在外加载荷增加的过程中，界面间形成液体润滑层，从而降低了KFC。其他光滑注液涂层的KFC在载荷增加的过程中没有发生明显的改变，在小范围内波动。这种稳定性源于表面粗糙结构可以牢牢地锁住润滑油，从而表现出稳定可靠的低摩擦。
本发明利用非接触式白光轮廓仪考察各涂层表面润滑层自发更新后的Ra，探讨涂层表面粗糙度对减摩性能的影响。如图7(a)所示，具有中等粗糙度(Ra＝1.05μm)的SiO2/TiO2样品显示出最佳的减摩效果，粗糙度较高或较低的微结构在剪切下容易屈服。当使用灌注了润滑油的未涂覆任何微纳颗粒的分级多孔PDMS时，在相同试验条件下观察到较高的摩擦系数和较差的摩擦稳定性。所以，表面粗糙度对锁定表面润滑层并保持减摩性能具有重要意义。
本发明进一步通过润滑油释放寿命和摩擦磨损稳定性评估梯度多孔结构光滑注液涂层的耐久性。如图7(b)所示，当在0.5N的恒定载荷下承受持续摩擦时，SiO2/TiO2纳米颗粒修饰的光滑注液涂层在10000多个摩擦循环中始终保持良好的减摩效果，而具有相同润滑油灌注的未涂覆任何微纳颗粒的光滑涂层在1200个摩擦循环内失效。结果表明，梯度多孔结构可显著提高涂层在摩擦条件下的耐久性。
5.CB纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层应变传感行为测试。
CB修饰的光滑注液涂层则具有应变传感功能。图8为涂层在0.5％，1％，2％，4％，5％，10％，20％，30％，40％和50％的拉伸应变下所对应的相对电流变化的曲线。在不同应变下，相对电流变化值有明显差别。而在相同应变下，相对电流变化值的峰值较稳定，仅在微小范围内波动，表明CB修饰的光滑注液涂层对不同的拉伸应变具有稳定的响应性。图9为CB修饰的光滑注液涂层在30％的拉伸应变下的循环测试，在1000次的循环加载过程中，响应信号略有增大，经过80次循环后，响应信号的基线和峰值基本没有发生明显的改变。图9中的插图为987-997次循环中的相对电流变化曲线，可以发现，相对电流变化值的峰值仍然较稳定。所以，CB修饰的光滑注液涂层具有灵敏的拉伸应变响应性和良好的耐久性。将CB修饰的光滑注液涂层涂覆在手套上，用于人体关节运动检测。图10(a)展示了抓取直径为3cm的容器时的响应信号，当手指伸直时，信号处于低水平状态。当手指弯曲时，响应信号提高。同时，多次试验后响应信号的基线和峰值无明显的变化，即该涂层可以较准确地反映这一关节运动。图10(b)展示了抓取直径为5cm的容器时涂层的响应信号，可以看到，当关节运动幅度减少时，响应信号也相应减小。
6.TiO2/SiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层图案化润湿性能表征。
在多孔PDMS上喷涂TiO2/SiO2乙醇分散液时，通过使用模板，可以形成任意形状的图案。TiO2/SiO2微纳粒子涂覆的区域可以触发润滑油的分泌，从而在表面形成图案化的润滑层。当染色的液体在表面铺展时，由于光滑注液涂层具有良好的排液性能，因此图案区域将不受染色，而裸露的PDMS区域将被染色。梯度多孔结构光滑注液涂层对甲基蓝水溶液(图11(b))和甲基绿乙醇溶液(图11(d))均有良好的排斥性能，可以灵活的控制涂层表面被水或者乙醇浸润以及不浸润的区域的位置以及形状，区别于整个表面无差别的浸润性，将在防伪、微流控、液滴操控等领域具有应用的潜力。
7.TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层辐射制冷性能表征。
对TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层进行光学表征，如图12所示，其在可见-近红外波段的反射率高达95％。如图13所示，其在红外波段展现出显著的光谱选择性，在大气窗口8-13μm的吸收率较高，在较长的波长(13-25μm)吸收率较低，避免不必要的红外吸收，从而提高总的辐射制冷效果，TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层可作为大气窗口选择性辐射制冷材料。如图14所示，户外测试表明TiO2纳米颗粒修饰的梯度多孔结构光滑注液涂层能够维持户外环境以下的温度，其降温效果在最佳情况下能达到9℃。

Claims (9)

1.一种具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备具有微米至毫米级孔径的分级多孔PDMS结构
首先，将一定质量比的聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物和全氟聚醚油(PFPE)混合搅拌，直至形成白色乳液，将一定质量的毫米级的糖块浸入上述白色乳液中并混合搅拌，在25℃的真空室中静置3h，再在80℃下固化4h，最后在100℃的去离子水中超声1h，从而制得具有微米至毫米级孔径的分级多孔PDMS结构；
步骤2：制备光滑液体灌注多孔涂层
将一定质量比的微纳米颗粒、PDMS预聚物分散在20mL乙醇中，然后进行超声处理2h以获得均匀的微纳米颗粒分散液，将1mL分散良好的微纳米颗粒分散液涂覆在2cm×2cm×1mm的分级多孔PDMS表面上，然后将微纳米颗粒涂覆的PDMS置于80℃的烘箱中烘干2h，使乙醇完全蒸发；最后，干燥后的样品在去离子水中再次进行超声波处理30min，并在25℃下干燥，将PFPE灌注到微纳米颗粒涂覆的多孔PDMS中，垂直静置12h，从而制得具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层；所述多孔涂层具有1-19μm的表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中PDMS预聚物和PFPE的质量比为4:1，所述糖块的质量为10g；所述步骤2中微纳米颗粒与PDMS预聚物的质量比1:1.25。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层的制备方法制得的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层。
4.根据权利要求3所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层，其特征在于：所述微纳米颗粒为TiO2/SiO2。
5.根据权利要求3所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层，其特征在于：所述微纳米颗粒为TiO2。
6.根据权利要求3所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层，其特征在于：所述微纳米颗粒为炭黑。
7.根据权利要求4中所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层在图案化润湿性、微流控、液体运输领域的应用。
8.根据权利要求5中所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层在辐射制冷领域的应用。
9.根据权利要求6中所述的具有梯度分级多孔结构的光滑液体灌注多孔涂层在应变传感领域的应用。
CN202210527784.8A 2022-05-16 2022-05-16 一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层 Active CN114920982B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210527784.8A CN114920982B (zh) 2022-05-16 2022-05-16 一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210527784.8A CN114920982B (zh) 2022-05-16 2022-05-16 一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114920982A CN114920982A (zh) 2022-08-19
CN114920982B true CN114920982B (zh) 2023-04-28

Family

ID=82808253

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210527784.8A Active CN114920982B (zh) 2022-05-16 2022-05-16 一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114920982B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104704067A (zh) * 2012-07-12 2015-06-10 哈佛学院院长及董事 光滑的自润滑聚合物表面
CN105776125A (zh) * 2016-03-31 2016-07-20 东南大学 一种楔形图案化超浸润性表面及其制备方法
CN108864778A (zh) * 2018-07-13 2018-11-23 武汉理工大学 一种双尺寸SiO2颗粒构成的微米-纳米分级结构超疏水涂层及其制备方法
CN109173346A (zh) * 2018-09-29 2019-01-11 天津工业大学 一种具有光滑表面的油水分离膜
CN109438606A (zh) * 2018-11-09 2019-03-08 北京化工大学 一种注液多孔材料光滑表面的构建方法
CN111107944A (zh) * 2017-03-02 2020-05-05 利奎格莱股份有限公司 通过界面改性产生耐久润滑表面的***和方法
CN112898878A (zh) * 2021-03-22 2021-06-04 中山大学 用于灌注润滑液的光滑多孔表面的粗糙基底、灌注润滑液的光滑多孔表面及其制备方法
WO2022000944A1 (zh) * 2020-06-30 2022-01-06 苏州天澜生物材料科技有限公司 一种固液填充的低表面能光滑功能材料及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101376715B1 (ko) * 2003-12-19 2014-03-27 더 유니버시티 오브 노쓰 캐롤라이나 엣 채플 힐 소프트 또는 임프린트 리소그래피를 이용하여 분리된 마이크로- 및 나노- 구조를 제작하는 방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104704067A (zh) * 2012-07-12 2015-06-10 哈佛学院院长及董事 光滑的自润滑聚合物表面
CN105776125A (zh) * 2016-03-31 2016-07-20 东南大学 一种楔形图案化超浸润性表面及其制备方法
CN111107944A (zh) * 2017-03-02 2020-05-05 利奎格莱股份有限公司 通过界面改性产生耐久润滑表面的***和方法
CN108864778A (zh) * 2018-07-13 2018-11-23 武汉理工大学 一种双尺寸SiO2颗粒构成的微米-纳米分级结构超疏水涂层及其制备方法
CN109173346A (zh) * 2018-09-29 2019-01-11 天津工业大学 一种具有光滑表面的油水分离膜
CN109438606A (zh) * 2018-11-09 2019-03-08 北京化工大学 一种注液多孔材料光滑表面的构建方法
WO2022000944A1 (zh) * 2020-06-30 2022-01-06 苏州天澜生物材料科技有限公司 一种固液填充的低表面能光滑功能材料及其制备方法
CN112898878A (zh) * 2021-03-22 2021-06-04 中山大学 用于灌注润滑液的光滑多孔表面的粗糙基底、灌注润滑液的光滑多孔表面及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Wei CQ，等.Fabrication and Application of Slippery Liquid-Infused Porous Surface.《PROGRESS IN CHEMISTRY》.2016,第28卷(第1期),第9-17页. *
马正峰.耐磨自润滑亲/疏水界面材料的构筑及其性能研究.《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》.2021,(第9期),B014-140. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114920982A (zh) 2022-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Developments and challenges in self‐healing antifouling materials
US11186731B2 (en) Slippery self-lubricating polymer surfaces
US9683197B2 (en) Dynamic and switchable slippery surfaces
Heydarian et al. Recent progress in the anti-icing performance of slippery liquid-infused surfaces
Chen et al. What are the design principles, from the choice of lubricants and structures to the preparation method, for a stable slippery lubricant-infused porous surface?
Cohen et al. Superhydrophobic coatings and their durability
Liu et al. Extreme wettability and tunable adhesion: biomimicking beyond nature?
US20190270944A1 (en) Low-friction and low-adhesion materials and coatings
US11248129B2 (en) Liquid impregnated surfaces for liquid repellancy
CN104046152A (zh) 超疏水涂料、超疏水涂层及该超疏水涂层的制备方法
Wang et al. Adhesion behaviors on four special wettable surfaces: natural sources, mechanisms, fabrications and applications
Schlaich et al. Mussel-inspired polyglycerol coatings with controlled wettability: from superhydrophilic to superhydrophobic surface coatings
Rowthu et al. Perfluoropolyether-impregnated mesoporous alumina composites overcome the dewetting–tribological properties trade-off
Bandyopadhyay et al. Tunable adhesion and slip on a bio-mimetic sticky soft surface
CN114920982B (zh) 一种表面液膜自更新的光滑液体灌注多孔涂层
Tseng et al. Highly-transparent slippery liquid-infused porous surfaces made with silica nanoparticulate thin films
Zhou et al. Biomimetic super slippery surface with excellent and durable anti-icing property for immovable heritage conservation
KR102171249B1 (ko) 개선된 발수 특성 및 오일 용출 특성을 가지는 필름 및 이의 제조방법
KR20220118917A (ko) 매끄러운 표면을 갖는 다공성 폴리머 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 보호필름
Takada et al. Preparation and hydrophobicity of solid–liquid bulk composite using porous glass and fluorinated oil
Eichler-Volf et al. The influence of surface topography and surface chemistry on the anti-adhesive performance of nanoporous monoliths
Liu et al. Shear-stable polymer brush surfaces
KR102125932B1 (ko) Slips 구조체 및 그 제조 방법
Zacharia “Slippery” Liquid-Infused Surfaces Inspired by Nature
Zhu Fabrication of Slippery Liquid-infused Porous Surfaces Using Layer-by-layer Assembly: Towards Multifunctional Surfaces and Facile Fabrication Processes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant