功能性超疏水材料制备浅谈

李嘉辰

摘 要：以静电纺丝技术为手段制备了一系列的功能性超疏水材料。首先，通过掺杂表面修饰纳米粒子的方法成功制备了仿生超疏水材料，使其表面不但有良好的自清洁性能还可以通过对纳米粒子的不同改性为材料提供特殊功能。其次，设计了一种可大面积电纺丝装置，通过对三种不同形貌性质的纤维共纺得到机械性能增强的超疏水材料，为超疏水材料的工业化生产和大面积制备奠定了基础。设计合成了具有光刺激响应功能的聚合物，再用静电纺丝法制备了智能控制润湿性的超疏水材料，为制备功能性表面材料提供了新的思路。

关键词：超疏水；静电纺丝；聚合物

0引言

超疏水材料越来越吸引人们的关注，它广泛地应用于生活中的许多领域，如汽车表面的自清洁涂层、防雪/防冰的玻璃、输电线的不沾水涂层、金属的防腐蚀和油水分离器等等。因此，研究超疏水材料具有重要的理论价值和现实意义。静电纺丝法是一种简单、有效的制造微纳米纤维或者微球的技术。可以通过纺丝液的浓度或者配比获得各种形貌和尺寸的聚合物纤维，所以广泛的应用于超疏水薄膜的制备。

1 材料制备方式

本文着眼于解决目前超疏水材料存在的热点问题，如耐用性、机械稳定性以及大面积加工等，制备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备

①模仿荷叶表面微观结构，将改性硅油修饰的SiO2纳米粒子引入聚偏氟乙烯电纺纤维薄膜，不仅成功地构建了微纳米双重尺度结构的粗糙表面，而且避免了SiO2纳米粒子单独掺杂导致的容易脱落耐用性差问题，从而获得了高疏水角、低滚动角、耐用性良好的超疏水材料。

②利用静电纺丝的方法成功地将Fe3O4@SiO2@POTS 复合纳米粒子引入到PVDF薄膜中。Fe3O4@SiO2@POTS纳米粒子与“串珠”型PVDF无规则地混在一起，构建了微纳双重尺度结构，从而极大地增加了复合材料表面的粗糙度，使其展现了卓越的超疏水性。除此以外，复合材料表面对pH=1.00～12.97的水滴均具有超疏水性，其接触角在这个范围内无明显波动。我们还考察了复合材料的抗拉伸能力，实验结果表明“串珠”型 PVDF 在提升材料机械性能上起到了主导作用。这使得我们制备的复合材料在现实生活中的应用具有更广阔的前景。通过改变Fe3O4@SiO2@POTS复合纳米粒子与PVDF的质量比可以控制复合材料表面的形貌、超疏水性和抗拉伸性能。

1.2大面积超疏水材料的制备

使用双喷头静电纺丝装置制备了一系列PVDF/PS 复合材料，利用PVDF“串珠”型纤维将孔PS微球束缚住，解决了PS微球容易被表面水滴带走问题；同时随PVDF量的增加，复合材料的抗拉伸强度逐渐变大，水接触角随着减小；从使用效果来看，复合材料的柔韧性较差，容易断裂。

设计了传送带式多喷头静电纺丝装置，传送带可以让接收板无限延长，即实现超疏水材料的大面积制备。传送带上的多个喷头可以同时纺出几种不同性质和形貌的聚合物。我们用此装置将PAN粗纤维引入PVDF/PS薄膜当中，增加了薄膜整体的柔韧性，使其机械性能得到进一步增强，虽然疏水性也随之减弱，但通过改变PAN、PVDF和PS 的质量比，最终得到了机械性能增强和柔韧性良好的超疏水材料。

1.3智能控制润湿性的超疏水材料

利用螺吡喃分子遇紫外——可见光照射后发生开环——闭环、疏水性发生可逆变化的性质，将其引入高分子侧链形成共聚物poly （SP-co-MMA），经电纺过程制备了表面润湿性光控可逆响应的纤维材料，并对其表面粗糙度对光响应效果的变化情况进行了考察，发现光诱导螺吡喃开-闭环导致接触角可逆变化的范围与材料表面粗糙度有关，表面粗糙度越大，光诱导接触角可逆变化的范围越大。

2结论

文章介绍设计了一种传送带式多喷头静电纺丝新装置，可以实现多组分纤维薄膜的连续制备。利用该装置，制备了以大尺寸聚丙烯腈纤维为骨架、聚偏氟乙烯“串珠”纤维缠绕聚苯乙烯多孔微球为填充的多组分、多尺度薄膜，获得了机械性能强、柔韧性好的超疏水材料。其次

模仿荷叶表面微观结构，将含氟硅氧烷修饰的Fe3O4纳米粒子引入聚偏氟乙烯电纺纤维薄膜，获得了在广泛pH值范围内均具有良好超疏水和机械完整性的磁性纤维薄膜，从而构建了具有良好自清洁效应的磁性材料。

参考文献：

[1]江雷，冯琳.仿生智能纳米界面材料[M].北京：化學工业出版社，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.

（作者单位：成都理工大学，材料与化学化工学院）