国内超疏水表面制备方法专利技术综述

郭研岐 薛 蕾

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心机械部 北京 100160

0 引言

仿生材料是从生物体获得启示,通过模仿生物某个方面的特异功能,实现材料的功能化设计,并可能最终超越自然[1]。自然界中典型的超疏水结构包括荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚等,超疏水领域是近年来研究的热点,普遍认为超疏水表面具有自清洁、防覆冰、耐腐蚀和油水分离等方面的潜在应用价值[2-3]。在工农业生产、生物医学工程以及人们日常生活等方面都具有广阔的应用前景。

1 国内超疏水表面制备方法的专利现状分析

1.1 国内超疏水表面制备方法的专利申请数量现状分析

本文对2021年之前的超疏水表面制备方法的专利申请数量进行统计,如图1所示,曲线显示了国内超疏水表面的制备方法申请量的年度分布。

图1

在全国范围内,超疏水表面的制备方法专利申请量总体呈上升趋势,起始于2002年,但处于水平较低状态,这与国内在超疏水领域研发水平较低,刚刚起步有关。到2010年后,申请量有了较大幅度上升,申请量飞速增长,这与国家科技重大专项的支持和推进密不可分。另外,随着MEMS工艺水平的不断提高,超疏水性能的高要求也推动了超疏水微纳结构的快速发展。

1.2 国内超疏水表面制备方法的专利申请人分析

国内超疏水表面的研究主要集中在高校,申请人分布图如图2所示。

从图2中可以看出,超疏水表面相关专利申请量最多的为吉林大学、华南理工大学和哈尔冰工业大学,均有20篇以上的专利申请,紧随其后的也均是高校申请,说明该技术处于研究阶段,我们国家对于该项技术的研究十分重视,有越来越多的高校加入到超疏水领域技术的研发中,但是同时也说明现在该领域的研究还处在实验阶段,并没有在产业上形成规模发展。

图2

2 典型制备方法专利分析

2.1 刻蚀专利

申请号CN200910066464.1,吉林大学申请的名称为一种制备超疏水抗反射微米和纳米复合结构表面的方法,包括硅片的清洁处理,在硅片的表面制作微米级硅岛及网格结构,以银或金纳米粒子为阻挡进行催化刻蚀,得到微米和纳米复合结构表面,及对复合结构表面进行化学修饰等步骤。利用上述方法所制备的超疏水抗反射材料表面与水的静态接触角大于150°,水的静态滚动角小于3°。应用该刻蚀方法形成超疏水结构,可规模化生产并可以广泛的应用于太阳能电池、微流体芯片、光电器件等方面,具有良好的工业应用前景。

2.2 电化学

申请号为CN201110152051.2,浙江大学申请的名称为镍电镀液和使用镍电镀液制备超疏水镍镀层的方法,以纯镍为阳极,以待电镀工件作为阴极,在镍电镀液中进行电镀,镍电镀液的温度为室温～200℃,电镀时的电压为0.2～2V。该电镀液成分简单,配制方便,环境友好。更突出的特点为所得镍镀层具有超疏水特性,接触角大于160°和滚动角小于2°。使用该电化学方法制备超疏水结构,工艺简单可控,不含腐蚀性物质,电镀过程中无蒸汽排放,有利于大规模生产。

2.3 刻蚀和电化学

申请号为CN200910111202.2,集美大学申请的名称为一种金属铝超疏水表面的制备方法,将铝片清洗后晾干,备用;将清洗晾干后的铝片去除表面的氧化层,然后将其浸泡在HCl溶液中腐蚀,或在NaOH溶液中浸泡;将化学腐蚀后的铝片作为阳极,以铂片或镀有铂的钛网作为阴极,阳极与阴极平行正对放置,以恒电流模式进行一步阳极氧化;将经过电化学腐蚀的铝片浸在氟硅烷乙醇溶液中修饰,干燥,得金属铝超疏水表面。与单纯只用化学法或电化学法相比,两步法结合化学法与电化学法的优势,所需加工时间更短,设备更简单,利于规模化生产,还可用于其他金属的超疏水表面制备。

2.4 模板法

申请号CN200910096817.2,浙江工业大学申请的名称为一种纳米颗粒辅助微模塑制备超疏水表面的方法,先用PDMS为原料复制新鲜荷叶表面的微结构作为软模板,然后将改性的纳米粒子与聚合物浇注或热压到PDMS软模板表面,成型后剥离即得到表面含有微纳二阶结构、具有一定功能的聚合物超疏水表面。该方法操作工艺简单,效率高,可控性和重复性好,所得表面由于含有功能性纳米粒子,不仅赋予了聚合物表面超疏水性,而且赋予超疏水表面一定的功能,为超疏水功能表面的制备提供了一种简单、有效的途径,因此具有广泛的应用价值和广阔的市场前景。

3 结束语

超疏水涂层在自清洁、防覆冰、耐腐蚀和油水分离领域有着广泛的应用商业价值,然而,国内对于超疏水表面的制备方法的大量研究主要集中在高校,还停留在理论研究阶段,由于其制备方法普遍存在工艺复杂、成本高、无法大规模化生产等缺点,并没有被广泛的应用,接下来的研究技术核心是降低工艺难度和制造成本,实现理论向实践的转化。(第二作者对本文的贡献等同于第一作者)