在竹材表面仿生製備高粘附超疏水的方法與流程
2023-05-24 06:57:53 1
本發明涉及一種竹材上製備高粘附超疏水表面的方法。
背景技術：
我國竹資源十分豐富，木材資源相對比較稀少，隨著我國林業政策的調整，更加強調環保，以及資源危機意識的提升，木材作為建材的發展空間大大縮減。而竹材作為一種綠色材料，必將走進公眾視野。竹材自身具有良好的抗震性能、生態環保、原料充足、保溫、隔音性能好等特點。
但在實際應用中竹材缺點較為明顯，一旦受日曬和潮溼容易出現分層現象，在潮溼地區更容易黴變生蟲，嚴重影響竹材的使用壽命。
中國專利申請號為CN201410114866.5，名稱為《一種仿花瓣超疏水高粘附表面的製備方法》的專利中公開了在金屬多孔表面構築高粘附超疏水的方法。但該方法採用氫氣泡模板法添加正己烷，再真空固化得到高粘附、超疏水表面。但其並不適用於相對粗糙的表面，且實驗流程複雜，在固化脫模階段稍有外力會對膜體自身形貌有所破壞，並不適用工業化生產。
中國專利申請號為CN201410657627.4，名稱為《一種超疏水高粘附金屬表面及其製備方法》的專利中公開了採用雷射刻蝕去材製造工藝流程，在金屬表面刻蝕製造仿玫瑰花表面微觀形貌，在經過低表面能物質修飾得到超疏水高粘附表面。此專利所用雷射刻蝕對金屬材料自身是一種損耗減材模式，高能耗、低效率，且雷射刻蝕並不適用工業化大生產。
現有涉及竹材類表面高粘附超疏水表面的專利並無報到，而現有高粘附超疏水專利又不適用竹材等生物質材料，且難以工業化生產。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決目前在竹材表面構築超疏水的方法工序複雜，疏水粘附性能較低的問題，而提供一種在竹材表面仿生製備高粘附超疏水的方法。
本發明在竹材表面仿生製備高粘附超疏水的方法按下列步驟實現：
一、對竹材進行清洗，自然氣幹得到清洗後的竹材；
二、將清洗後的竹材放置到磁控濺射裝置的腔體內，以銅靶作為靶材，控制腔體內的真空度為5×10-3～1×10-2Pa，氬氣流量為20～60sccm，射頻功率為40～400W進行預濺射10～20分鐘，然後調節射頻功率為300～400W，反濺射功率為5～10W，濺射壓強為1.0～1.5Pa進行濺射鍍膜，得到表面鍍膜的竹材；
三、將表面鍍膜的竹材放置於硬脂酸溶液中浸泡，取出後超聲清洗，乾燥，即完成在竹材表面仿生製備高粘附超疏水。
本發明主要模仿壁虎腳的粗糙結構，因壁虎腳粗糙結構具備高粘附超疏水性質，壁虎腳的黏附系統是一種多分級、多纖維狀表面的結構，壁虎的每個腳趾生有數百萬根細小剛毛，力學角度來看，當兩個固體表面相互靠近時，其間的相互作用力十分複雜，其中包括範德華力、靜電力、偶極力、毛細力等。
本發明在竹材表面構築高粘附超疏水表面。高粘附超疏水表面雖不具有自清潔功能，但可以在微納級尺度上操縱液滴的轉移，可在微流控、液體無損轉移、生物技術等多領域發揮重要作用，具有良好的高粘附超疏水性能，水液滴在高粘附超疏水表面的接觸角為153°，同時拓寬了竹材的應用範圍。
附圖說明
圖1為低倍電鏡下俯視表面鍍膜後的竹材表面電鏡圖；
圖2為高倍電鏡下俯視表面鍍膜後的竹材表面電鏡圖；
圖3為低倍電鏡下側視表面鍍膜後的竹材表面電鏡圖；
圖4為高倍電鏡下側視表面鍍膜後的竹材表面電鏡圖；
圖5為水液滴在水平高粘附超疏水表面的接觸角測試圖；
圖6為水液滴在傾斜90°高粘附超疏水表面的接觸角測試圖；
圖7為水液滴在翻轉180°高粘附超疏水表面的接觸角測試圖。
具體實施方式
具體實施方式一：本實施方式在竹材表面仿生製備高粘附超疏水的方法按下列步驟實施：
一、對竹材進行清洗，自然氣幹得到清洗後的竹材；
二、將清洗後的竹材放置到磁控濺射裝置的腔體內，以銅靶作為靶材，控制腔體內的真空度為5×10-3～1×10-2Pa，氬氣流量為20～60sccm，射頻功率為40～400W進行預濺射10～20分鐘，然後調節射頻功率為300～400W，反濺射功率為5～10W，濺射壓強為1.0～1.5Pa進行濺射鍍膜，得到表面鍍膜的竹材；
三、將表面鍍膜的竹材放置於硬脂酸溶液中浸泡，取出後超聲清洗，乾燥，即完成在竹材表面仿生製備高粘附超疏水。
本實施方式首先將竹材磁控濺射鍍銅膜。然後浸泡在硬脂酸溶液中，從而獲得具有高粘附超疏水竹材表面。步驟二中預濺射是為了清除銅靶材上的雜質。預濺射清除雜質可以使濺射出來的銅離子無雜質，在木材表面形成銅單質。濺射工藝參數中功率的調節，以及反濺射功率的控制，是在非平整竹材表面形成高粘附銅膜關鍵步驟，功率的大小影響銅顆粒大小的形成，適合的竹材粗糙度且高粘附超疏水仿壁虎腳所需顆粒大小都會影響竹材表面的粘附和疏水性能。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟一將竹材置於去離子水進行超聲清洗。其它步驟及參數與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是步驟二中磁控濺射裝置的腔體內溫度為25～35℃。其它步驟及參數與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是步驟二控制射頻功率為200W進行預濺射15分鐘。其它步驟及參數與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是步驟二調節射頻功率為350W，反濺射功率為5W，濺射壓強為1.0Pa進行濺射鍍膜。其它步驟及參數與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是步驟二表面鍍膜的竹材的鍍膜厚度為10～20微米。其它步驟及參數與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是步驟三中所述的硬脂酸溶液的質量濃度為1％～5％。其它步驟及參數與具體實施方式一至六之一相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是步驟三將表面鍍膜的竹材放置於質量濃度為1％～5％硬脂酸溶液中浸泡1小時。其它步驟及參數與具體實施方式一至七之一相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是步驟三所述的乾燥是在室溫環境下通過大氣乾燥。其它步驟及參數與具體實施方式一至八之一相同。
實施例一：本實施例在竹材表面仿生製備高粘附超疏水的方法按下列步驟實施：
一、對竹材進行清洗，自然氣幹得到清洗後的竹材；
二、將清洗後的竹材放置到磁控濺射裝置的腔體內，以銅靶作為靶材，控制腔體內的真空度為5×10-3Pa，氬氣流量為60sccm，溫度為30℃，射頻功率為200W進行預濺射15分鐘，然後調節射頻功率為350W，反濺射功率為5W，濺射壓強為1.0Pa進行濺射鍍膜，得到表面鍍膜的竹材；
三、將表面鍍膜的竹材放置於1％硬脂酸溶液中浸泡1小時，取出後超聲清洗10分鐘，室溫環境下大氣乾燥後在竹材表面仿生製備高粘附超疏水。
通過電鏡圖1至圖4觀察竹材表面鍍銅膜後的微觀形貌，粗糙結構是由微納薄片組成，眾多薄片組成高低不平微觀形貌，每個微納薄片的表面由許多小薄片組成，微納薄片之間間隔1微米左右，此種結構提高疏水性的同時主要提高了粘附性。6μL水液滴在高粘附超疏水表面的接觸角測試圖如圖5～7所示，從中可知在水平表面的接觸角為153°，顯示良好的疏水性，而圖6和圖7傾斜表面的接觸角測試圖顯示出良好的粘附性。