功能性超疏水材料制備淺談

李嘉辰

摘 要：以靜電紡絲技術為手段制備了一系列的功能性超疏水材料。首先，通過摻雜表面修飾納米粒子的方法成功制備了仿生超疏水材料，使其表面不但有良好的自清潔性能還可以通過對納米粒子的不同改性為材料提供特殊功能。其次，設計了一種可大面積電紡絲裝置，通過對三種不同形貌性質的纖維共紡得到機械性能增強的超疏水材料，為超疏水材料的工業化生產和大面積制備奠定了基礎。設計合成了具有光刺激響應功能的聚合物，再用靜電紡絲法制備了智能控制潤濕性的超疏水材料，為制備功能性表面材料提供了新的思路。

關鍵詞：超疏水；靜電紡絲；聚合物

0引言

超疏水材料越來越吸引人們的關注，它廣泛地應用于生活中的許多領域，如汽車表面的自清潔涂層、防雪/防冰的玻璃、輸電線的不沾水涂層、金屬的防腐蝕和油水分離器等等。因此，研究超疏水材料具有重要的理論價值和現實意義。靜電紡絲法是一種簡單、有效的制造微納米纖維或者微球的技術?？梢酝ㄟ^紡絲液的濃度或者配比獲得各種形貌和尺寸的聚合物纖維，所以廣泛的應用于超疏水薄膜的制備。

1 材料制備方式

本文著眼于解決目前超疏水材料存在的熱點問題，如耐用性、機械穩定性以及大面積加工等，制備了一系列具有一定功能性的超疏水材料

1.1仿生多功能超疏水材料的制備

①模仿荷葉表面微觀結構，將改性硅油修飾的SiO2納米粒子引入聚偏氟乙烯電紡纖維薄膜，不僅成功地構建了微納米雙重尺度結構的粗糙表面，而且避免了SiO2納米粒子單獨摻雜導致的容易脫落耐用性差問題，從而獲得了高疏水角、低滾動角、耐用性良好的超疏水材料。

②利用靜電紡絲的方法成功地將Fe3O4@SiO2@POTS 復合納米粒子引入到PVDF薄膜中。Fe3O4@SiO2@POTS納米粒子與“串珠”型PVDF無規則地混在一起，構建了微納雙重尺度結構，從而極大地增加了復合材料表面的粗糙度，使其展現了卓越的超疏水性。除此以外，復合材料表面對pH=1.00～12.97的水滴均具有超疏水性，其接觸角在這個范圍內無明顯波動。我們還考察了復合材料的抗拉伸能力，實驗結果表明“串珠”型 PVDF 在提升材料機械性能上起到了主導作用。這使得我們制備的復合材料在現實生活中的應用具有更廣闊的前景。通過改變Fe3O4@SiO2@POTS復合納米粒子與PVDF的質量比可以控制復合材料表面的形貌、超疏水性和抗拉伸性能。

1.2大面積超疏水材料的制備

使用雙噴頭靜電紡絲裝置制備了一系列PVDF/PS 復合材料，利用PVDF“串珠”型纖維將孔PS微球束縛住，解決了PS微球容易被表面水滴帶走問題；同時隨PVDF量的增加，復合材料的抗拉伸強度逐漸變大，水接觸角隨著減小；從使用效果來看，復合材料的柔韌性較差，容易斷裂。

設計了傳送帶式多噴頭靜電紡絲裝置，傳送帶可以讓接收板無限延長，即實現超疏水材料的大面積制備。傳送帶上的多個噴頭可以同時紡出幾種不同性質和形貌的聚合物。我們用此裝置將PAN粗纖維引入PVDF/PS薄膜當中，增加了薄膜整體的柔韌性，使其機械性能得到進一步增強，雖然疏水性也隨之減弱，但通過改變PAN、PVDF和PS 的質量比，最終得到了機械性能增強和柔韌性良好的超疏水材料。

1.3智能控制潤濕性的超疏水材料

利用螺吡喃分子遇紫外——可見光照射后發生開環——閉環、疏水性發生可逆變化的性質，將其引入高分子側鏈形成共聚物poly （SP-co-MMA），經電紡過程制備了表面潤濕性光控可逆響應的纖維材料，并對其表面粗糙度對光響應效果的變化情況進行了考察，發現光誘導螺吡喃開-閉環導致接觸角可逆變化的范圍與材料表面粗糙度有關，表面粗糙度越大，光誘導接觸角可逆變化的范圍越大。

2結論

文章介紹設計了一種傳送帶式多噴頭靜電紡絲新裝置，可以實現多組分纖維薄膜的連續制備。利用該裝置，制備了以大尺寸聚丙烯腈纖維為骨架、聚偏氟乙烯“串珠”纖維纏繞聚苯乙烯多孔微球為填充的多組分、多尺度薄膜，獲得了機械性能強、柔韌性好的超疏水材料。其次

模仿荷葉表面微觀結構，將含氟硅氧烷修飾的Fe3O4納米粒子引入聚偏氟乙烯電紡纖維薄膜，獲得了在廣泛pH值范圍內均具有良好超疏水和機械完整性的磁性纖維薄膜，從而構建了具有良好自清潔效應的磁性材料。

參考文獻：

[1]江雷，馮琳.仿生智能納米界面材料[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]XIU Y H， XIAO F， HESS D W， et al. Superhydrophobic optically transparent silica films formed with a Eutectic liquid [J]. Thin Solid Films， 2009， 517： 1610–1615.

（作者單位：成都理工大學，材料與化學化工學院）