國內超疏水表面制備方法專利技術綜述

郭研岐 薛 蕾

國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心機械部 北京 100160

0 引言

仿生材料是從生物體獲得啟示,通過模仿生物某個方面的特異功能,實現材料的功能化設計,并可能最終超越自然[1]。自然界中典型的超疏水結構包括荷葉、水稻葉、玫瑰花瓣、壁虎腳等,超疏水領域是近年來研究的熱點,普遍認為超疏水表面具有自清潔、防覆冰、耐腐蝕和油水分離等方面的潛在應用價值[2-3]。在工農業生產、生物醫學工程以及人們日常生活等方面都具有廣闊的應用前景。

1 國內超疏水表面制備方法的專利現狀分析

1.1 國內超疏水表面制備方法的專利申請數量現狀分析

本文對2021年之前的超疏水表面制備方法的專利申請數量進行統計,如圖1所示,曲線顯示了國內超疏水表面的制備方法申請量的年度分布。

圖1

在全國范圍內,超疏水表面的制備方法專利申請量總體呈上升趨勢,起始于2002年,但處于水平較低狀態,這與國內在超疏水領域研發水平較低,剛剛起步有關。到2010年后,申請量有了較大幅度上升,申請量飛速增長,這與國家科技重大專項的支持和推進密不可分。另外,隨著MEMS工藝水平的不斷提高,超疏水性能的高要求也推動了超疏水微納結構的快速發展。

1.2 國內超疏水表面制備方法的專利申請人分析

國內超疏水表面的研究主要集中在高校,申請人分布圖如圖2所示。

從圖2中可以看出,超疏水表面相關專利申請量最多的為吉林大學、華南理工大學和哈爾冰工業大學,均有20篇以上的專利申請,緊隨其后的也均是高校申請,說明該技術處于研究階段,我們國家對于該項技術的研究十分重視,有越來越多的高校加入到超疏水領域技術的研發中,但是同時也說明現在該領域的研究還處在實驗階段,并沒有在產業上形成規模發展。

圖2

2 典型制備方法專利分析

2.1 刻蝕專利

申請號CN200910066464.1,吉林大學申請的名稱為一種制備超疏水抗反射微米和納米復合結構表面的方法,包括硅片的清潔處理,在硅片的表面制作微米級硅島及網格結構,以銀或金納米粒子為阻擋進行催化刻蝕,得到微米和納米復合結構表面,及對復合結構表面進行化學修飾等步驟。利用上述方法所制備的超疏水抗反射材料表面與水的靜態接觸角大于150°,水的靜態滾動角小于3°。應用該刻蝕方法形成超疏水結構,可規模化生產并可以廣泛的應用于太陽能電池、微流體芯片、光電器件等方面,具有良好的工業應用前景。

2.2 電化學

申請號為CN201110152051.2,浙江大學申請的名稱為鎳電鍍液和使用鎳電鍍液制備超疏水鎳鍍層的方法,以純鎳為陽極,以待電鍍工件作為陰極,在鎳電鍍液中進行電鍍,鎳電鍍液的溫度為室溫～200℃,電鍍時的電壓為0.2～2V。該電鍍液成分簡單,配制方便,環境友好。更突出的特點為所得鎳鍍層具有超疏水特性,接觸角大于160°和滾動角小于2°。使用該電化學方法制備超疏水結構,工藝簡單可控,不含腐蝕性物質,電鍍過程中無蒸汽排放,有利于大規模生產。

2.3 刻蝕和電化學

申請號為CN200910111202.2,集美大學申請的名稱為一種金屬鋁超疏水表面的制備方法,將鋁片清洗后晾干,備用;將清洗晾干后的鋁片去除表面的氧化層,然后將其浸泡在HCl溶液中腐蝕,或在NaOH溶液中浸泡;將化學腐蝕后的鋁片作為陽極,以鉑片或鍍有鉑的鈦網作為陰極,陽極與陰極平行正對放置,以恒電流模式進行一步陽極氧化;將經過電化學腐蝕的鋁片浸在氟硅烷乙醇溶液中修飾,干燥,得金屬鋁超疏水表面。與單純只用化學法或電化學法相比,兩步法結合化學法與電化學法的優勢,所需加工時間更短,設備更簡單,利于規模化生產,還可用于其他金屬的超疏水表面制備。

2.4 模板法

申請號CN200910096817.2,浙江工業大學申請的名稱為一種納米顆粒輔助微模塑制備超疏水表面的方法,先用PDMS為原料復制新鮮荷葉表面的微結構作為軟模板,然后將改性的納米粒子與聚合物澆注或熱壓到PDMS軟模板表面,成型后剝離即得到表面含有微納二階結構、具有一定功能的聚合物超疏水表面。該方法操作工藝簡單,效率高,可控性和重復性好,所得表面由于含有功能性納米粒子,不僅賦予了聚合物表面超疏水性,而且賦予超疏水表面一定的功能,為超疏水功能表面的制備提供了一種簡單、有效的途徑,因此具有廣泛的應用價值和廣闊的市場前景。

3 結束語

超疏水涂層在自清潔、防覆冰、耐腐蝕和油水分離領域有著廣泛的應用商業價值,然而,國內對于超疏水表面的制備方法的大量研究主要集中在高校,還停留在理論研究階段,由于其制備方法普遍存在工藝復雜、成本高、無法大規模化生產等缺點,并沒有被廣泛的應用,接下來的研究技術核心是降低工藝難度和制造成本,實現理論向實踐的轉化。(第二作者對本文的貢獻等同于第一作者)