一种基于铠甲化结构的长时效超滑动表面及其制备方法

技术领域

本发明属于超润滑涂层技术领域，尤其涉及一种基于铠甲化结构的长时效超滑动表面及其制备方法。

背景技术

超滑表面因具有低接触角滞后的特性，在抗污损生物粘附、抗冰粘附、抗复杂液体粘附等方面具有重要的应用。随着机理研究和制备手段的深入，超滑表面在管道运输、医疗植入器件、微液滴反应测试平台等方面逐渐发挥着重要的作用。超滑表面能够有效地降低飞机机翼表面和发电站电缆的覆冰问题以及解决医疗器件中血液粘连及血栓形成的问题。然而，超滑表面及时的呈现效果的确能够有效地解决问题，但是稳定的效果难以得到有效延长，这使得润滑表面在实际应用中有很大的阻碍，所以提高超滑表面的机械稳定性是使其更好地在现代工业中发挥重要作用的首要任务。

基于此，在目前的相关技术中，人们通过在基底材料表面进行刻蚀特殊的结构来锁住润滑液，使其能够稳定地存在于基底材料内，延长润滑性能的使用时间；同时，也有技术将灌油的润滑表面封装在特定的缓冲液中来减少润滑的挥发来保证超滑表面的使用时间。此外，技术人员通过对基底材料表面进行活化处理使其表面能够与柔性高分子链发生化学反应，嫁接在该基底材料表面。但是这两种技术在处理上需要复杂过程，浸泡在特定缓冲液中超滑表面在实际使用中存在很大的不便；通过化学共价键将柔性高分子链嫁接在基底表面一定程度上能提高润滑表面的稳定性，但是活化程度和嫁接密度都难以实现标准化和工业化。因此，人们迫切希望能够研制具有高机械稳定性的超滑表面能够为科技发展所应用。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)灌注型润滑表面的润滑油难以稳定存在，易挥发流失导致润滑失效；

(2)嫁接柔性分子链的超滑表面的接枝密度和活化程度等参数难于实现标准化及工业化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于铠甲化结构的长时效超滑动表面及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，对基底表面进行预处理，利用热熔滚轮压印技术在基底材料表面上压印出微米尺寸的铠甲化功能结构；

步骤二，针对铠甲化结构的尺寸，选择两种或者两种以上的二氧化硅颗粒和二氯二甲基硅烷及异丙醇来配置超滑涂料；

步骤三，将预处理后带有铠甲化结构的基底材料浸泡在或者旋涂上超滑涂料，制备出超滑动表面。

进一步，步骤一中的基底为硅片，玻璃。

进一步，步骤一中铠甲化结构的大小基于实际应用选择合适的尺寸，尺寸有20纳米，200纳米，2微米，5微米，10微米。

进一步，步骤二中的超滑涂料，选用两种或两种以上不同尺寸的二氧化硅颗粒组成，质量为比例为1:1或1:1:1混合分散在异丙醇溶剂中，并加入含有功能基团较多的单宁酸搅拌后加入二氯二甲基硅烷。

进一步，单宁酸，涂料颗粒，硅烷物，及溶剂三者之间的质量比一般为1:1:5:25。

进一步，步骤三中基底材料的浸泡时间为30-60分钟。

一种用基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法所制备的基于铠甲化结构的长时效超滑动表面，超滑动表面用于抵抗多种污染物的黏附。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明是通过构筑微米尺度功能结构来保护超滑涂料中的颗粒，通过两者间构建的超滑表面，实现了该功能表面的长时效的润滑性能。

本发明选择两种不同尺寸的颗粒能够有效地形成紧密填充，保证超滑涂料中的颗粒在铠甲化结构中更稳定存在。

本发明将预处理的基底材料通过浸泡或者是旋涂的方式，让超滑涂料中的颗粒填充在铠甲化结构当中，超滑涂料中的纳米颗粒可以保证超滑表面的润滑性能，而铠甲化结构能够保护颗粒不被破坏从而保证了该超滑表面的性能的长时效性，即使在该表面被水流冲击、机械磨损、切割等物理破坏实验中，超滑性能依然能够有效地维持。

第二，本发明是通过简单的流程工艺实现了超滑表面具有良好的性能稳定性。其是通过对基底材料进行功能化的结构处理，使其能够锁住超滑涂料中的功能颗粒，保证润滑性能稳定输出。而基底的功能化结构的预处理极为方便，主要是通过滚轮压印技术或是掩模板刻蚀技术来完成。超滑涂料的制备也易于掌握，能够快速地进行大规模地生产，其主要是在两种或者两种以上不同尺寸的颗粒在被单宁酸包裹后，通过化学反应嫁接上柔性的聚合物链二氯二甲基硅氧烷分子链。通过将该颗粒充填到基底的功能结构当中，超滑涂料的颗粒提供润滑性能，而铠甲化结构能够有效地保护颗粒不被破坏，从而形成了一种基于铠甲化结构的长时效的超滑动表面。

第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：超滑表面能够有效抵抗多种污染物的黏附，例如：污损生物，灰尘颗粒，复杂液体等。内窥镜在目前的医疗领域中起着集举足轻重的作用，能够帮助医生在对患者观测后做出疾病诊断或取病灶活检进行病理诊断，同时，对部分的特定手术或植入治疗性医疗器件等手术也有极为重要的作用。目前的光学内窥镜具有成像高保真，清晰度最高的特点被广泛地应用，但应用过程组织液或是血液容易粘连在镜头上，导致清晰度下降，甚至无法正常地观察取样。所以将本发明应用在该内窥镜表面，能够有效地降低该表面被污染的性，同时润滑性能的长时效性能够保证内窥镜在实验过程中多次采用，减小了患者因为内窥镜被污染后多次采样带来的交叉感染风险和高昂的就医成本。

第四，本发明提供的基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法包含了几个关键的技术进步：

1)铠甲化功能结构的利用：通过利用热熔滚轮压印技术在基底表面上压印微米尺寸的铠甲化功能结构，这种方法显著提高了表面的结构稳定性和耐用性。铠甲化结构的设计增加了表面的机械强度，从而使其在长时间使用和极端条件下保持超滑特性。

2)超滑涂料的定制配方：通过选用不同尺寸的二氧化硅颗粒混合并配以异丙醇溶剂，这种方法可以根据不同的应用需求和工作环境定制超滑涂料。这种定制化的配方使得涂层更适合特定的使用条件，从而提高其适用性和效果。

3)单宁酸的加入：在超滑涂料中加入含有功能基团较多的单宁酸，这不仅提高了涂层的粘附性，还为表面提供额外的化学稳定性和耐腐蚀性。这使得涂层在化学反应性和耐环境侵蚀方面有所增强。

4)精确的材料比例控制：在超滑涂料的制备中，对单宁酸、涂料颗粒、硅烷物质及溶剂的质量比进行精确的控制，这确保了涂层的均一性和一致的表面特性。精确的配比有助于确保涂层性能的可重复性和可预测性。

5)多功能性和多层次结构：通过结合微米尺寸和纳米尺寸的结构，这种方法创造了一种多功能性和多层次的超滑面，这增强了其在不同应用中的适用性和效能。

综上所述，本发明提供的制备方法通过结合先进的表面加工技术和精细的化学配方，为产生具有高耐久性、高稳定性和优异滑动特性的表面提供了一种有效途径。这对于需要长时间维持超滑表面的应用(如高精度仪器、生物医学设备等)来说，是一个显著的技术进步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的硅片基底经预处理后具有铠甲化结构的基底表面FESEM图；

图3是本发明实施例提供的硅片基底表面浸泡超滑涂料后得到超滑动表面的FESEM图；

图4是本发明实施例提供的硅片基底表面浸泡超滑涂料后得到超滑动表面的两种不同粒径二氧化硅的FESEM图；

图5是本发明实施例提供的硅片基底表面经过超滑涂料处理前后的滑动触角变化图；

图6是本发明实施例提供的硅片基底表面处理后的超滑表面在水滴长时间冲洗后滑动角变化数据图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法，以下是两个具体的实施例及其实现方案：

实施例1：制备用于高精度光学设备的超滑表面

1)基底选择与预处理：

选择硅片作为基底材料。

使用热熔滚轮压印技术在硅片上制造5微米尺寸的铠甲化结构。

2)超滑涂料的配制：

选择两种尺寸(200纳米和2微米)的二氧化硅颗粒。

将颗粒按1:1的质量比混合分散在异丙醇溶剂中。

加入单宁酸并搅拌，然后加入二氯二甲基硅烷。

3)超滑表面制备：

将预处理的硅片浸泡在超滑涂料中，确保铠甲化结构完全覆盖。

干燥并固化涂层，制得适用于高精度光学设备的超滑表面。

实施例2：制备用于生物医学设备的长效抗污超滑表面

1)基底选择与预处理：

选择玻璃作为基底材料。

使用热熔滚轮压印技术在玻璃上制造20纳米尺寸的铠甲化结构。

2)超滑涂料的配制：

选择三种尺寸(20纳米、200纳米和2微米)的二氧化硅颗粒。

将颗粒按1:1:1的质量比混合分散在异丙醇溶剂中。

加入单宁酸并搅拌，然后加入二氯二甲基硅烷。

3)超滑表面制备：

通过旋涂法将超滑涂料均匀涂覆在预处理的玻璃基底上。

干燥并固化涂层，制得适用于生物医学设备的长效抗污超滑表面。

本发明提供的两个实施例分别针对不同的应用领域，通过调整铠甲化结构的尺寸和超滑涂料的配方，以满足特定应用中的需求。实施例1专注于光学设备的需求，强调光学清晰度和耐磨性；而实施例2则着重于生物医学设备的需求，强调长期耐用性和抗污染能力。通过这些实施例，可以看到基于铠甲化结构的超滑表面制备方法在不同应用领域的多样性和灵活性。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于铠甲化结构的长时效超滑动表面及其制备方法。

一种基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法，所述基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法包括以下步骤：

步骤一，对基底表面进行预处理，利用热熔滚轮压印技术在基底材料表面上压印出微米尺寸的铠甲化功能结构；

步骤二，针对铠甲化结构的尺寸，选择两种或者两种以上的二氧化硅颗粒和二氯二甲基硅烷及异丙醇来配置超滑涂料；

步骤三，将预处理后带有铠甲化结构的基底材料浸泡在或者旋涂上超滑涂料，制备出超滑动表面。

步骤一中的基底为硅片，玻璃。

步骤一中铠甲化结构的大小基于实际应用选择合适的尺寸，尺寸有20纳米，200纳米，2微米，5微米，10微米。

步骤二中的超滑涂料，选用两种或两种以上不同尺寸的二氧化硅颗粒组成，质量为比例为1:1或1:1:1混合分散在异丙醇溶剂中，并加入含有功能基团较多的单宁酸搅拌后加入二氯二甲基硅烷。单宁酸，涂料颗粒，硅烷物，及溶剂三者之间的质量比一般为1:1:5:25。

对基底材料表面进行预处理之后，选择两种及两种以上的二氧化硅颗粒来制备超滑涂层，以两种为例，将200nm和2μm的二氧化硅按照质量比为1:1的比例溶于异丙醇溶剂当中进行搅拌均匀后加入单宁酸，由于单宁酸具有很好的包裹性能够有效地将颗粒包裹住，而单宁酸表面所带有的酚羟基官能团能够与多种硅烷发生化学反应，所以在上述溶液中加入二氯二甲基硅烷后进行磁力搅拌，最后得到被单宁酸和二氯二甲基硅烷所包裹的二氧化硅超滑涂料。

步骤三中基底材料的浸泡时间为30-60分钟。

一种用基于铠甲化结构的长时效超滑动表面的制备方法所制备的基于铠甲化结构的长时效超滑动表面，超滑动表面用于抵抗多种污染物的黏附。

实施例3：

(1)基底材料预处理：

20cm×20cm的硅片基底超声清洗仪先用去离子水清洗5min，用氮气吹干后，再用无水乙醇清洗5min，氮气吹干，待用。

(2)硅片基底材料的铠甲化结构处理：

对上述的硅片进行热熔滚轮压印处理，根据所需要的结构尺寸调整滚轴结构的尺寸大小，进行压制。本发明以压制结构边长为60μm为例。

(3)超滑涂料的配制：

分别称取1g二氧化硅纳米颗粒(粒径约200nm)1g二氧化硅颗粒(粒径范围2μm)加入含有50g异丙醇的烧杯中，室温磁力搅拌2h后，加入2g的单宁酸药品进行磁力搅拌2h，充分搅拌均匀后加入10g二氯二甲基硅烷，在磁力搅拌条件下进行2h后得到所需的超滑涂料混合溶液。

(4)涂覆工艺处理：

对预处理后的硅片基底材料选择浸泡或者旋涂两种涂覆工艺。以旋涂工艺为例，预处理后的硅片基底表面，涂覆2ml的超滑涂料，待干燥后，进行第二次涂覆，反复进行5-10次涂覆处理，使超滑涂料中的颗粒能够填满整个功能结构后，再经过热风干燥后便得到以硅片为基底材料的具有基于铠甲化结构的长时效的超滑表面。

实施例4：

(1)基底材料预处理：

50cm×50cm的玻璃片基底超声清洗仪先用去离子水清洗5min，用氮气吹干后，再用无水乙醇清洗5min，氮气吹干，待用。

(2)玻璃片基底材料的铠甲化结构处理：

对上述的玻璃片进行热熔滚轮压印处理，根据所需要的结构尺寸调整滚轴结构的尺寸大小，进行压制。本发明以压制结构边长为60μm为例。

(3)超滑涂料的配制：

分别称取1g二氧化硅纳米颗粒(粒径约200nm)1g二氧化硅颗粒(粒径范围2μm)加入含有50g异丙醇的烧杯中，室温磁力搅拌2h后，加入2g的单宁酸药品进行磁力搅拌2h，充分搅拌均匀后加入10g二氯二甲基硅烷，在磁力搅拌条件下进行2h后得到所需的超滑涂料混合溶液。

(4)涂覆工艺处理：

对预处理后的玻璃片基底材料选择浸泡或者旋涂两种涂覆工艺。以旋涂工艺为例，预处理后的玻璃片基底表面，涂覆2ml的超滑涂料，待干燥后，进行第二次涂覆，反复进行5-10次涂覆处理，使超滑涂料中的颗粒能够填满整个功能结构后，再经过热风干燥后便得到以玻璃片为基底材料的具有基于铠甲化结构的长时效的超滑表面。

超滑表面在临床医学上有广泛地应用，研究人员将其应用在多种仪器设备上，其能够有效地降低表面被生物体的组织液的污染，降低交叉感染的性。

将本发应用在内窥镜的镜头表面，通过热熔滚轮压印技术将该表面构造特殊的功能结构后填充超滑涂料，可以使得内窥镜表面不会被污染，减少了组织液或者是血液在镜头表面的黏附，提高了内窥镜的可视化程度，可以一次性完成对患者的数据采样，而不需要因为内窥镜镜头污染问题而进行多次的穿插，增加患者的就医成本和风险。同时，该超滑表面的长时效稳定能够保证在整个数据采样的过程中，不会出现因为润滑油或者润滑层破坏导致镜头被污染，采样失败的问题存在。

图1是本发明实施例提供的一种基于铠甲化结构的长时效的超滑动表面及其制备方法的简化流程图。

基于滚轮压印技术预处理后的基底材料表面经过浸泡或旋涂超滑涂料后可制备出超滑表面。由于超滑表面中的颗粒表面包裹单宁酸涂层后可以很好地接枝上二氯二甲基硅烷柔性聚合物链，是表面具有很好的润滑性能。而铠甲化特殊的结构可以保护该颗粒不被滑动的液滴或者机械摩擦等破坏，从而保证了该超滑表面具有长时效的润滑性能。

图2是硅片基底经预处理后具有铠甲化结构的基底表面FESEM图。

从图2中可以看出，该功能结构的边长是60μm，经过测试该结构能够有效地保护超滑涂料中的颗粒不被磨损。而当边长是120μm的铠甲化结构制备的超滑表面的机械稳定性有所下降。

图3是基于硅片基底表面浸泡超滑涂料后得到超滑表面的FESEM图。

可以看出铠甲化结构内已经填满了超滑涂料中的200nm和2μm的颗粒，但是该结构的棱并没有被完全覆盖，而是暴露在外面，这有利于在超滑表面受到磨损时，该棱能够抵抗磨损，减少颗粒的流失。

图4是基于硅片基底表面浸泡超滑涂料后得到超滑表面的两种不同粒径二氧化硅的FESEM图。

由图4可以看出两种不同粒径的二氧化硅颗粒相互混合在一起填充在铠甲化结构中。

图5是基于提供的硅片基底表面经过超滑涂料处理前后的滑动触角变化图。

由图5可以看出硅片预处理后具有了铠甲化结构后，在该结构中填充超滑涂料的颗粒后，表面的润滑性能产生了巨大的变化。相对于未处理的硅片表面，处理后的表面的滑动角低至3度，低的接触角滞后现象能够使该表面抵抗生物污损或是灰尘等污染物的黏附。

图6是基于硅片基底表面处理后的超滑表面在水滴长时间冲洗后滑动角变化数据图。

将经过处理得到的超滑表面进行了水流冲击的长时效测试，将超滑表面放置在水流下冲洗96小时，期间测试该表面的滑动角。根据测试结果可以看出，该表面的在96小时连续水流冲洗之下，该表面的润滑性能依然保持良好，没有明显的衰减，证明铠甲化结构能够保护超滑涂料中的颗粒不被水流冲洗掉，从而使超滑表面的润滑性能能够很好的维持。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。