一种低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水材料及制备方法

技术领域

本发明涉及超疏水材料技术领域，特别涉及一种低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水材料及其制备方法。

背景技术

润湿性是固体材料表面的基本性质，这取决于表面能和表面形态。具有高接触角和低滚落角的超疏水表面(SHS)在自清洁，防腐蚀，减阻和防垢等各个领域具有巨大的潜力，因此，超疏水表面的制造得到了广泛的研究。

超疏水表面极端的憎水性是通过利用微米/纳米级或分层表面纹理和低表面能材料来实现的。其中，纳米颗粒，包括二氧化硅、高岭土、凹凸棒石等，具有较强的机械性能、环境友好、价格低廉，能够提供稳定的表面粗糙度；优异的低表面能物质能够提供较低的表面自由能，是制备高效超疏水表面的重要前提。

低表面能物质改性纳米颗粒的目的就是通过引入低表面能物质，例如有机硅、氟硅烷、表面活性剂等，使得微纳米粗糙结构低表面能化，低表面能物质的选用既需要满足改性的特定目的，又需要与基体之间具有良好的亲和性。研究指出阳离子表面活性剂如烷基胺和季铵盐类是黏土矿物表面疏水改性的有效表面活性剂，表面活性剂通过在颗粒表面的活性位点进行有效吸附来调节颗粒表面润湿性，实现颗粒表面疏水化。然而，由于低表面能物质种类繁多、部分材料价格昂贵、改性工艺复杂等现状，导致现有超疏水材料不能满足实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水材料及其制备方法，能够以量子力学和分子动力学模拟为研究手段，基于表面自由能理论分析不同种类低表面能物质对凹凸棒石表面性能的影响规律。通过一步喷涂法制备超疏水仿生涂层，并利用接触角实验对改性凹凸棒石的表面性能进行表征。最终制备性能优良的超疏水复合材料，为进一步研究凹凸棒石疏水涂层的制备和实际应用提供依据。

本发明的技术方案如下：

步骤1，选取低表面能物质。选取3类经典低表面能物质来对凹凸棒石表面进行疏水改性，分别为烷基胺、烷基铵盐、硬脂酸三类低表面能物质。

步骤2，基于分子模拟技术完成低表面能物质的筛选。利用Materials Studio分子模拟软件，构建低表面能物质和凹凸棒石的分子模型，通过分子动力学模拟完成低表面能物质-凹凸棒石体系的吸附模拟，并基于表面自由能理论筛选单一低表面能物质。

步骤3，实验验证单一低表面能物质优选结果的准确性。通过一步喷涂法制备低表面物质-凹凸棒石疏水涂层，并利用接触角实验和混凝土试件防污测试对改性凹凸棒石的表面性能进行表征。

步骤4，基于分子模拟构建低表面能物质的复配体系。对优选得到的单体低表面能物质进行复配，并对凹凸棒石进行改性，基于分子模拟和表面自由能理论确定最佳复配方案。

步骤5，完成复配低表面能物质-凹凸棒石体系的超疏水材料的制备和疏水性能验证。基于分子模拟得到的低表面能物质复配方案，通过一步喷涂法制备复配低表面物质-凹凸棒石疏水涂层，并利用接触角实验确定复配方案的最佳应用浓度和配比，最终制备得到低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水材料。

作为本发明的一种技术方案，所述实现方法步骤1中所选的烷基胺包括：十二胺，十四胺，十六胺，十八胺；所选的烷基铵盐包括：十二烷基三甲基氯化铵，十四烷基三甲基氯化铵，十六烷基三甲基氯化铵，十八烷基三甲基氯化铵。

作为本发明的一种技术方案，所述实现方法步骤2中分别构建含有低表面能物质分子个数为1到5的散装晶胞模型和限制层晶胞模型。

作为本发明的一种技术方案，所述实现方法步骤2中分子动力学模拟在MaterialsStudio分子模拟软件Forcite模块中进行，模拟立场设定为COMPASS，NVT系综下，模拟时长为200ps。

作为本发明的一种技术方案，所述实现方法步骤2中凹凸棒石吸附低表面能物质之后的表面自由能采用式(1)计算：

式中：E

作为本发明的一种技术方案，所述实现方法步骤3中疏水涂料的制备过程为：以无水乙醇为溶剂，配制凹凸棒石质量浓度为1％，表面活性剂质量浓度为0.5％，1％，1.5％，2％，2.5％的疏水涂料悬浮液，将制备好的涂料用喷枪喷至玻璃片上，制备超疏水涂层。

作为本发明的一种技术方案，所述实现方法步骤4中复配体系选取十六胺、十八胺、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、硬脂酸五种低表面能物质进行两两复配，对凹凸棒石进行改性，寻找最佳复配复合疏水材料。

作为本发明的一种技术方案，所述实现方法步骤5中性能测试时将两种低表面能物质的浓度设定为2％，配置复配体系的超疏水溶液。

本发明的制备技术结合分子模拟和实验研究，有效节约凹凸棒石超疏水材料制备过程中造成的经济和时间成本，能够实现高效筛选，且制备方案简单，为进一步研究凹凸棒石疏水涂层的制备和实际应用提供依据。

附图说明

图1是本发明的低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水材料制备方法的工艺流程图。

图2是本发明的低表面能物质的分子模型。

图3是本发明的单一低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水材料对水的接触角图。

图4是本发明的复配低表面能物质的分子晶胞模型。

图5是本发明的五种复配体系疏水材料的表面性能。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1实施本发明的一种低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水材料的制备方法。包括以下步骤：

步骤1，构建分子模型。凹凸棒石的晶体结构采用了C2/m空间群，从Materialsstudio软件晶体库中导入，采用MS软件中的3D Atomistic Document模块绘制9种低表面能物质分子模型，分子结构如图2所示。

步骤2，单一低表面能物质改性的凹凸棒石材料的表面自由能计算。分别构建含有低表面能物质分子个数为1到5的散装分子晶胞和限制层分子晶胞模型。完成晶胞优化后，构建低表面能物质-凹凸棒石吸附模拟体系，分子动力学模拟后分别计算散装分子晶胞和限制层分子晶胞体系势能和康诺利表面积之差，根据表面自由能计算公式获得体系表面自由能。

步骤3，一步喷涂法制备疏水表面。将不同浓度的低表面能物质溶解在无水乙醇中，搅拌均匀后加入适量APT，继续搅拌使其完全分散得到改性APT悬浮液。疏水材料制备前，利用超声波将载玻片在无水乙醇中冲洗去除表面杂质。将超疏水悬浮液倒入喷枪，喷头与玻璃片中间的高度约为25cm，并以2MPa的压力将其均匀地喷涂在干燥的载玻片表面，置于室温下，等待酒精完全蒸发，则低表面能物质改性凹凸棒石超疏水涂层制备完成。

步骤4，单一低表面能物质改性凹凸棒石涂层性能测试。采用JC2000DM型接触角测量仪测量涂层表面的水滴接触角，每个试样选取5个测试位点，多次测量取平均值。测试结果如图3所示。涂层防污性能测试，将制备的复合超疏水材料喷涂到40mm×40mm×10mm的混凝土试件上，在室温下将墨水与自来水按照1:10的比例配制染液，将表面覆有复合疏水涂层的混凝土试件浸入染液中2min后拿出，观察试件表面的污染痕迹，以表征其防污性能。

步骤5，复配方案确定。依据单体低表面能物质优选结果进行复配方案设计，本实施例选取十六胺、十八胺、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、硬脂酸五种低表面能物质进行两两复配，对凹凸棒石进行改性。

步骤6，复配低表面能物质改性的凹凸棒石材料的表面自由能计算。复配表面活性剂改性凹凸棒石疏水性分子模拟时，设置两种不同的低表面能物质分子个数均为3个。以硬脂酸、十八胺为例，构建的散装分子晶胞模型和限制层分子晶胞模型如图4所示。利用Buildlayers工具，构建复配低表面能物质-凹凸棒石模拟体系，完成分子动力学模拟后计算表面自由能。

步骤7，复配低表面能物质改性的凹凸棒石材料性能测试。利用接触角实验和防污实验对复配低表面能物质改性凹凸棒石涂层进行测试，测试结果如图5所示，最终获得实现超疏水效果的低表面能物质改性的凹凸棒石材料。

本发明提供的一种低表面能物质改性的凹凸棒石超疏水复合材料，具有优异的疏水和自清洁能力，制备工艺简单，有效节约成本，为开发实际应用的绿色环保疏水涂层提供重要参考，制得的超疏水材料不仅可应用于建筑安全方面，防止混凝土结构失效，还可应用于道路安全防结冰、电子产品安全防水等领域。