一种硅基底超疏水超亲水区域分布表面及其制备方法和应用与流程

本公开涉及材料表面加工技术领域，具体地，涉及一种硅基底超疏水超亲水区域分布表面及其制备方法和应用。

背景技术：

超疏水表面指的是水滴在固体表面接触角大于150度的固体表面，其自身具有防污耐腐、流体减阻、自清洁等优异性能。超亲水表面是指水滴滴在固体表面能够在较短时间内完全铺展开，使接触角等于或接近于0°，在防污防雾、油水分离等众多领域均有着十分广阔的应用前景，将两者优点集中可广泛应用于建筑材料、生物医药、交通运输等领域。

硅在日常生活中应用广泛，对于不同的基底改变其表面微观结构和表面自由能的方法都不尽相同，而且制备出的表面往往仅有超疏水或超亲水一种表面特性，现有技术中还缺乏一种制备硅基底超疏水超亲水区域分布表面的方法。

技术实现要素：

本公开的目的是为了克服现有技术无法制备同时具有超疏水性和超亲水性的硅基底的问题，提供一种硅基底超疏水超亲水区域分布表面及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种制备硅基底超疏水超亲水区域分布表面的方法，该方法包括以下步骤：

(1)对硅基底的表面进行激光加工，得到具有微米-亚微米级粗糙结构的第一表面；

(2)对所述第一表面进行羟基化处理，得到第二表面；

(3)在缩合反应的条件下，使所述第二表面与有机溶液进行缩合反应，得到第三表面；

(4)对所述第三表面进行选区紫外照射处理，得到所述硅基底超疏水超亲水区域分布表面。

可选地，所述激光加工的条件为：速度为100-1000mm/s，光斑大小为0.05-0.10mm，功率为5-50W，打点时间为0.05-0.5ms。

可选地，该方法还包括：在羟基化处理之前，除去所述第一表面的杂质，并可选地对所述第一表面进行第一干燥处理；并且/或者，

在所述第三表面进行选区紫外照射处理之前，除去所述第三表面的所述有机溶液，并可选地对所述第三表面进行第二干燥处理。

可选地，除去有机溶液和/或所述杂质的方法包括：将所述第一表面和/或第三表面置于溶剂中并进行超声清洗；所述超声清洗的时间为1-10min，超声频率为20-90kHz，温度为15-25℃，所述溶剂包括丙酮、无水乙醇和超纯水中的至少一种；

所述第一干燥处理和所述第二干燥处理的条件各自独立地包括：在室温下，用氮气吹扫所述第一表面和/或第三表面1-5min，再进行保温处理；所述保温处理的时间为30-60min，温度为80-100℃。

可选地，该方法还包括：采用第一紫外线照射所述第一表面进行所述羟基化处理，得到所述第二表面；所述第一紫外线的照射时间为60-120min，所述紫外线的波长为200-300nm。

可选地，所述有机溶液的制备方法包括：在水解的条件下，使全氟癸烷基三氯硅烷与水在2,2,4-三甲基戊烷的存在下接触反应，得到所述有机溶液；所述2,2,4-三甲基戊烷与所述全氟癸烷基三氯硅烷的体积比为1：(0.01-0.02)。

可选地，该方法还包括：用掩膜覆盖部分所述第三表面，采用紫外线照射所述第三表面进行所述选区紫外照射处理，得到所述硅基底超疏水超亲水区域分布表面；所述选区紫外照射的时间为60-120min，所述第二紫外线的波长为200-300nm。

本公开第二方面提供一种本公开第一方面提供的方法制备得到的硅基底超疏水超亲水区域分布表面。

可选地，所述微米-亚微米级粗糙结构的第一表面包括微米级的粗糙结构和分布于所述微米级的粗糙结构上的亚微米级的粗糙结构。

本公开第三方面提供一种本公开第二方面提供的硅基底超疏水超亲水区域分布表面在建筑材料、生物医药和交通运输领域中的至少一种中的应用。

通过上述技术方案，本公开的方法制备得到的硅基底表面具有优良的超亲水/超疏水区域分布特性。具体来说，通过特定方式的激光加工在硅基底表面构建出微米-亚微米级的粗糙结构，得到布满无规律排布的微观结构的第一表面；通过对第一表面进行羟基化处理得到第二表面，并使所得第二表面与有机溶剂发生缩合反应，可以有效降低硅基底的表面自由能，从而得到具有超疏水性的第三表面；再对第三表面进行选区紫外照射处理，使被选区域转化为超亲水表面，未被选的区域依旧为超疏水表面。其中，被选区是指硅基底上可以被紫外线直接照射，并在紫外线作用下发生反应的区域，未被选的区域是指不能被紫外线照射到的区域。超疏水表面具有防污耐腐、流体减阻、自清洁等优异性能，超亲水表面具有防污防雾、油水分离等有优异性能，将两者优点集中的硅基底表面可以满足建筑材料、生物医药、交通运输等领域对材料的需求。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开的硅基底超疏水超亲水区域分布表面的SEM照片(放大倍数为2000倍)。

图2是本公开的硅基底超疏水超亲水区域分布表面的接触角测量图。

图3是本公开的硅基底超疏水超亲水区域分布表面的接触角测量图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

本公开第一方面提供一种制备硅基底超疏水超亲水区域分布表面的方法，该方法包括以下步骤：

(1)对硅基底的表面进行激光加工，得到具有微米-亚微米级粗糙结构的第一表面；

(2)对所述第一表面进行羟基化处理，得到第二表面；

(3)在缩合反应的条件下，使所述第二表面与有机溶液进行缩合反应，得到第三表面；

(4)对所述第三表面进行选区紫外照射处理，得到所述硅基底超疏水超亲水区域分布表面。

其中，硅基底为本领域的技术人员所熟知的，例如可以为表面经打磨抛光的硅板，打磨可以使用磨粒度为400目、800目、1200目、1500目和2000目的砂纸依次打磨，然后对表面再进行抛光，得到光滑的硅基底表面。

本公开的硅基底表面经激光加工后形成具有微米-亚微米级粗糙结构的表面，空气可以存于微观间隙中，从而形成固-液-气三相复合接触界面，可以降低硅基底表面的自由能；通过使具有微米-亚微米粗糙结构的表面依次进行羟基化处理和缩合反应，可以降低硅基底表面的表面自由能，进而有效降低固-液界面之间的摩擦与黏附，增大水滴在固体表面的接触角，使得硅基底表面具有良好的疏水性；再对硅基底表面进行选区紫外照射处理后，使得选中区域的第三表面转变为亲水表面，从而可以得到具有亲水性和疏水性的区域分布的硅基底表面。本公开的方法制备得到的硅基底表面具有优良的亲水性与疏水性。

一种具体实施方式，激光加工的条件可以为：速度为100-1000mm/s，光斑大小为0.05-0.1mm，功率为5-50W，打点时间为0.05-0.5ms。优选地，速度为500-800mm/s，光斑大小为0.05mm，功率为18-30W，打点时间为0.2-0.35ms。激光加工的其它条件可以根据实际需要进行选择，例如激光的频率可以为10-15KHz。在上述条件下，激光加工可以在硅基底的表面形成圆形阵列，每行的相邻圆形与圆形相切，每列的相邻圆形与圆形也相切，在圆形与圆形的相切处会被重复加工，因而可以产生大量交叠的圆形，形成具有微米-亚微米粗糙结构的表面，该表面凹凸不平，在硅基底表面尺寸为微米级的粗糙结构上还附着有尺寸为亚微米级的更小的粗糙结构，结构无规律，可以使得本公开的表面具有更为优异的亲水性和疏水性。其中，激光加工可以在本领域的技术人员所常规使用的设备中进行，例如采用激光打标机进行激光加工。

一种具体实施方式，该方法还可以包括：在羟基化处理之前，除去第一表面的杂质，并可选地对第一表面进行第一干燥处理。除去杂质和第一干燥处理可以采用本领域的技术人员所常规采用的方法，优选地，可以将第一表面置于溶剂中并进行超声清洗；超声清洗的时间可以为1-10min，超声频率可以为20-90kHz，温度可以为15-25℃，溶剂可以包括丙酮、无水乙醇和超纯水中的至少一种，优选地，可以依次采用丙酮、无水乙醇和超纯水对第一表面进行超声清洗。优选地，第一干燥处理可以为在室温下，用氮气吹扫第一表面1-5min，再进行保温处理。其中，保温处理可以在本领域技术人员所常规采用的设备中进行，例如可以在真空干燥箱中进行保温处理，保温处理的时间可以为30-60min，温度可以为80-100℃，压力可以为常压。通过上述处理可以使得第一表面干燥无杂质，有利于羟基化处理的顺利进行，以保证第二表面有良好的疏水性。

另一种具体实施方式，该方法还可以包括：在进行选区紫外照射处理之前，除去第三表面的有机溶液，并可选地对第三表面进行干燥处理。可以采用除去第一表面的杂质的方法除去第三表面的有机溶液，可以采用对第一表面进行干燥处理的方法及条件对第三表面进行干燥处理，其他方法在此不再赘述。

一种具体实施方式，该方法还可以包括：采用第一紫外线照射第一表面进行羟基化处理，得到第二表面；紫外线的照射时间可以为60-120min，紫外线的波长可以为200-300nm。紫外线照射为本领域的技术人员所熟知的，例如可以采用紫外灯进行紫外线照射。在上述范围内，可以使得第一表面充分羟基化，进而使其具有良好的亲水性。

根据本公开，有机溶液的制备方法可以包括：在水解的条件下，使全氟癸烷基三氯硅烷与水在2,2,4-三甲基戊烷的存在下接触反应，得到有机溶液；2,2,4-三甲基戊烷与全氟癸烷基三氯硅烷的体积比可以为1：(0.01-0.02)，优选为1：(0.014-0.016)，以使得全氟癸烷基三氯硅烷可以彻底水解，以形成物理化学性质优良的有机溶液，有利于促进第二表面与有机溶液进行缩合反应，生成疏水性良好的第三表面。

一种具体实施方式，该方法还可以包括：用掩膜覆盖部分第三表面，采用紫外线照射第三表面进行选区紫外照射处理，得到硅基底超疏水超亲水区域分布表面；选区紫外照射处理的时间可以为60-120min，波长可以为200-300nm。对掩膜所覆盖的硅基底进行羟基化处理，使得暴露在外的硅基底在紫外线的照射下转化为超亲水表面，而被覆盖硅基底依旧为超疏水表面。掩膜为本领域的技术人员所熟知的，掩膜的材料可以为金属材料，例如为TC4钛合金，其厚度可以为0.1-0.5mm，可以通过激光切割机在金属基板上切割，以得到有不同开孔形状的掩膜板。例如可以在金属基板上切割出边沿宽度为3-5mm，线宽为3-5mm，间距1-10mm的线形图案，完全去除间距部分，得到所述掩膜，具体线宽与间距可根据实际情况进行变更。

本公开第二方面提供一种本公开第一方面提供的方法制备得到的硅基底超疏水超亲水区域分布表面。本公开的硅基底超疏水超亲水表面具有优良的亲水性和疏水性，超疏水表面具有防污耐腐、流体减阻、自清洁等优异性能，超亲水表面具有防污防雾、油水分离等有优异性能，将两者优点集中以满足建筑材料、生物医药、交通运输等领域对材料的需求。

根据本公开，微米-亚微米级粗糙结构的第一表面可以包括微米级的粗糙结构和分布于微米级的粗糙结构上的亚微米级的粗糙结构。其中，微米-亚微米级的粗糙结构是由于激光在特定的操作参数下对硅基底表面存在重复加工而产生的。具有微米-亚微米级粗糙结构的第一表面更为粗糙，接近自然中的无规则排布状态，可以使得硅基底表面具有更优的疏水性和亲水性。

本公开第三方面提供一种本公开第二方面提供的硅基底超疏水超亲水区域分布表面在建筑材料、生物医药和交通运输等领域中的至少一种中的应用。

下面通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。

实施例1

对硅基底表面进行激光加工，激光加工的条件为：速度为500mm/s，光斑大小为0.05mm，功率为18W，频率为10KHz，打点时间为0.2ms，得到具有微米-亚微米级粗糙结构的第一表面；

将第一表面依次用丙酮、无水乙醇和超纯水进行超声清洗，清洗时间为5min，再在室温下，用氮气吹扫第一表面2min。对第一表面进行紫外线照射处理，紫外灯的功率为75W，照射时间为60min，紫外线的波长为254nm，得到第二表面；

按体积比为1.5：100，将全氟癸烷基三氯硅烷滴入2,2,4-三甲基戊烷中，使全氟癸烷基三氯硅烷发生水解反应得到有机溶液，使第二表面与有机溶液进行缩合反应，得到第三表面；

依次用丙酮、乙醇和超纯水对第三表面进行超声清洗，吹扫第三表面2min，并在90℃的条件下于真空干燥箱中保温30min。用掩膜覆盖第三表面，对其进行紫外线照射处理，紫外灯的功率为75W，照射时间为60min，紫外线的波长为254nm，得到硅基底超疏水超亲水区域分布表面。其中，掩膜板为TC4钛合金，厚度为0.5mm的板件。利用激光切割机在基板上切割出边沿宽度为3mm，线宽为5mm，间距为5mm的线形图案，间距部分完全去除。

对制得的硅基底超疏水超亲水区域分布表面进行SEM表征，并采用接触角测量仪测接触角，表征和测量结果见图1-3。

由图1-3可知，本公开的硅基底表面具有微米-亚微米级粗糙结构，亲水区域中水与硅基底表面的接触角为0°，疏水区域中水与硅基底表面的接触角为159.3°，本公开的硅基底表面具有优良的亲水性和疏水性。

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备硅基底表面，不同之处仅在于，所述激光加工的条件为：速度为700mm/s，光斑大小为0.05mm，功率为16W，频率为15KHz，打点时间为0.1ms。

本公开的硅基底表面具有微米-亚微米级粗糙结构，亲水区域中水与硅基底表面的接触角为0°，疏水区域中水与硅基底表面的接触角为149.6°，本公开的硅基底表面具有亲水性和疏水性。

实施例3

采用与实施例1相同的方法制备硅基底表面，不同之处仅在于，对第一表面进行紫外线照射处理，紫外灯的功率为75W，照射时间为65min，紫外线的波长为300nm，得到第二表面。

本公开的硅基底表面具有微米-亚微米级粗糙结构，亲水区域中水与硅基底表面的接触角为0°，疏水区域中水与硅基底表面的接触角为151.4°，本公开的硅基底表面具有优良的亲水性和疏水性。

实施例4

用掩膜覆盖第三表面，对其进行紫外线照射处理，紫外灯的功率为75W，照射时间为70min，紫外线的波长为200nm，得到硅基底超疏水超亲水区域分布表面。

本公开的硅基底表面具有微米-亚微米级粗糙结构，亲水区域中水与硅基底表面的接触角为0°，疏水区域中水与硅基底表面的接触角为150.3°，本公开的硅基底表面具有优良的亲水性和疏水性。

对比例1

采用与实施例1相同的方法制备硅基底表面，不同之处仅在于，对硅基底表面进行激光加工，激光加工的条件为：速度为1500mm/s，光斑大小为0.05mm，功率为10W，频率为20KHz，打点时间为0.01ms，得到具有微米级粗糙结构的第一表面。

本公开的硅基底具有微米级粗糙结构，亲水区域中水与硅基底表面的接触角为4°，疏水区域中水与硅基底表面的接触角为109.9°，本公开的硅基底表面不具有优良的亲水性和疏水性。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。