一种压力诱导浸润态和形貌可控的超疏水硅橡胶弹性体及其制备方法

本发明属于高分子功能材料领域，尤其涉及一种压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体及其制备方法。

背景技术：

1、可控的超疏水表面由于在液滴运输、水滴收集和采集、生物医学分析设备、液滴反应、水凝结和微流体装置等领域具有广泛的应用，得到的越来越多的关注。例如，在生物医学设备中，医疗设备表面的接触角度对确定细胞的粘附和生长具有至关重要的影响；在液滴运输中，通过移动具有高粘附力的超疏水表面能够移动液滴，而可控的粘附力是液滴定向运输的关键。

2、现有的研究表明，不同粗糙结构的超疏水表面可以表现出不同的粘附效果，如荷叶效应和玫瑰花瓣效应：荷叶效应展示非常弱的水粘附力，水滴在类似荷叶面上呈球形易滚动，对水呈“排斥”现象，可以用cassie-baxter模型解释，具有荷叶效应的表面可应用在自清洗、水下减阻表面等领域；相反，玫瑰花瓣效应展示了高水粘附力的水捕获特性，它可以作为“抓手”来控制和运输微小的水滴，wenzel模型可以很好的解释玫瑰花瓣效应。同一超疏水表面的润湿性和粘附力性能是固定的，且仅遵从于wenzel模型、cassie-baxter模型或其他模型中的一种，使用范围较小。

技术实现思路

1、为改善现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，该方法将疏水性的纳米二氧化硅填充到聚二甲基硅氧烷中，并通过与粗糙表面的结构接触，制备出压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，包括如下步骤：将疏水性纳米二氧化硅粉末分散在弹性预聚体中，得到预混液，在所述预混液中加入反应剂，混合得到反应液；将反应液与具有粗糙表面的结构接触并固化。

4、根据本发明的实施方案，所述疏水性纳米二氧化硅选自表面通过环氧树脂、烷基、氟代烷基改性的纳米二氧化硅，例如，所述疏水性纳米二氧化硅选自表面通过kh570、kh550硅烷偶联剂改性的二氧化硅。

5、根据本发明的实施方案，所述弹性预聚体选自乙烯基硅油、乙氧基硅油、含氢硅油中的至少一种，例如为聚二甲基硅氧烷。

6、根据本发明的实施方案，所述疏水性纳米二氧化硅粒径为50～300nm，优选所述疏水性纳米二氧化硅粒径为100～200nm。

7、根据本发明的实施方案，所述反应剂为交联剂甲基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷中的至少一种。

8、根据本发明的实施方案，所述弹性预聚体与改性纳米二氧化硅的质量比为100：(10～80)，优选所述弹性预聚体与改性纳米二氧化硅的质量比为100：(20～60)，进一步优选地，所述弹性预聚体与改性纳米二氧化硅的质量比为100：(30～50)。

9、根据本发明的实施方案，所述弹性预聚体与反应剂的质量比为10：(0.5～2)，优选所述弹性预聚体与反应剂的质量比为10：(1～1.5)。

10、根据本发明的实施方案，所述具有粗糙表面的结构是指与反应液接触并固化后，能够使得固化后弹性体表面形成周期性的凸起结构。

11、根据本发明的实施方案，所述具有粗糙表面的结构为网状结构或激光蚀刻网格模板，所述网状结构选自尺寸为500～3000目的丝网，优选地，所述网状结构选自尺寸为1000～2000目的丝网，进一步优选地，所述丝网为不锈丝钢或尼龙丝网。

12、根据本发明的实施方案，所述激光蚀刻模板为以光滑钢板为基底，0.5～5微米激光光斑雕刻的网格模板，优选地，所述激光蚀刻网格模板选自1～3微米激光光斑雕刻地网格模板。

13、根据本发明的实施方案，将所述反应液与具有粗糙表面的结构接触之前，还包括如下步骤：在具有粗糙表面的结构表面设置脱模剂并干燥。

14、根据本发明的实施方案，在具有粗糙表面的结构表面设置脱模剂之前，还包括如下步骤：清洗所述具有粗糙表面的结构并干燥。根据本发明的实施方案，将反应液与具有粗糙表面的结构接触并固化包括如下步骤：将具有粗糙表面的结构放入模具内部，将反应液放入模具中固化。

15、根据本发明的实施方案，将反应液放入模具中固化包括如下步骤：先将反应液置于真空条件下存放，然后在温度为30～60℃的条件下干燥固化。

16、根据本发明的实施方案，所述干燥固化的时间为2～6h，优选所述干燥固化的时间为3～5h。

17、根据本发明的实施方案，所述干燥固化在真空干燥箱中进行。

18、根据本发明的实施方案，将反应液置于真空条件下存放包括如下步骤：将反应液抽真空至表面流平且均匀无气泡，保持真空状态1-5min后泄真空。

19、第二方面，本发明提供一种采用上述方法制备的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体，所述弹性体的表面具有微纳结构的连续周期性凸起，当所述弹性体表面受到压力作用时，所述弹性体表面由cassie-baxter态转变为wenzel态。

20、根据本发明的实施方案，所述周期性凸起为三角形凸起和/或梯形凸起。

21、根据本发明的实施方案，所述弹性体的接触角大于150°，滚动角小于10°。

22、有益效果

23、1、本发明以机械共混法，将经过硅烷修饰过的纳米二氧化硅经过机械共混填充到聚二甲基硅氧烷中，其中经硅烷修饰过的纳米二氧化硅与pdms具都是低表面能材料，具有很好的相容性，有机相与无机相主要通过共价键方式结合；同时，本发明通过不同细度的丝网与反应液接触后固化来构建弹性体的表面形貌，制备出形貌可控的sio2/pdms弹性体，该弹性体具有压力诱导浸润态，本发明的制备方法简单，生产原料廉价易得，具有良好的应用前景。

24、2、本发明制备的硅橡胶弹性体，压力诱导浸润性由弹性体表面的形貌所控制，通过利用不同细度的丝网实现形貌可控设计，从而达到浸润性可控的目的；同时，本发明所制备的硅橡胶弹性体，在外部压力下表面可以由cassie-baxter态转变为wenzel态，从而实现控制表面粘附力和润湿性状态来实现对水的操作。

25、3、本发明通过不同细度的丝网设计出不同的粗糙结构，通过将丝网放置于模具底部，随后倒入反应液进行固化；也可以将丝网贴附于反应液表面固化成型，操作较方便，且成本较低。

技术特征：

1.一种压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将疏水性纳米二氧化硅粉末分散在弹性预聚体中，得到预混液，在所述预混液中加入反应剂，混合得到反应液；将反应液与具有粗糙表面的结构接触并固化。

2.根据权利要求1所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，所述疏水性纳米二氧化硅选自表面通过环氧树脂、烷基、氟代烷基改性的纳米二氧化硅，例如，所述疏水性纳米二氧化硅选自表面通过kh570、kh550硅烷偶联剂改性的二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，所述弹性预聚体选自乙烯基硅油、乙氧基硅油、含氢硅油中的至少一种，例如为聚二甲基硅氧烷。

4.根据权利要求1-3任一项所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，所述弹性预聚体与改性纳米二氧化硅的质量比为100：(10～80)，优选所述弹性预聚体与改性纳米二氧化硅的质量比为100：(20～60)。

5.根据权利要求1-3任一项所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，所述具有粗糙表面的结构为网状结构或激光蚀刻网格模板，所述网状结构选自尺寸为500～3000目的丝网。

6.根据权利要求1-3任一项所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，将所述反应液与具有粗糙表面的结构接触之前，还包括如下步骤：在具有粗糙表面的结构表面设置脱模剂并干燥。

7.根据权利要求6所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，在具有粗糙表面的结构表面设置脱模剂之前，还包括如下步骤：清洗所述具有粗糙表面的结构并干燥。

8.根据权利要求1-3任一项所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，将反应液放入模具中固化包括如下步骤：先将反应液置于真空条件下存放，然后在温度为30～60℃的条件下干燥固化。

9.根据权利要求8所述的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体的制备方法，其特征在于，将反应液置于真空条件下存放包括如下步骤：将反应液抽真空至表面流平且均匀无气泡，保持真空状态1-5min后泄真空。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述方法制备的压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体，所述弹性体的表面具有微纳结构的连续周期性凸起，当所述弹性体表面受到压力作用时，所述弹性体表面由cassie-baxter态转变为wenzel态。

技术总结本发明属于高分子功能材料领域，尤其涉及一种压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体及其制备方法，制备方法包括如下步骤：将疏水性纳米二氧化硅粉末分散在弹性预聚体中，得到预混液，在所述预混液中加入反应剂，混合得到反应液；将反应液与具有粗糙表面的结构接触并固化。本发明将表面经过KH570、KH550硅烷修饰改性过的纳米二氧化硅填充到聚二甲基硅氧烷中，并通过丝网在其表面构造规则的粗糙结构，制备出压力诱导浸润态和形貌可控超疏水硅橡胶弹性体。技术研发人员：丁晓红,蔡运驰,郑龙辉,翁子襄,王剑磊,吴立新受保护的技术使用者：中国科学院福建物质结构研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/30