國內(nèi)超疏水表面制備方法專利技術(shù)綜述

郭研岐 薛 蕾

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心機(jī)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(shí)現(xiàn)材料的功能化設(shè)計,并可能最終超越自然[1]。自然界中典型的超疏水結(jié)構(gòu)包括荷葉、水稻葉、玫瑰花瓣、壁虎腳等,超疏水領(lǐng)域是近年來研究的熱點(diǎn),普遍認(rèn)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(yīng)用價值[2-3]。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)工程以及人們?nèi)粘Ｉ畹确矫娑季哂袕V闊的應(yīng)用前景。

1 國內(nèi)超疏水表面制備方法的專利現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)超疏水表面制備方法的專利申請數(shù)量現(xiàn)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(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計,如圖1所示,曲線顯示了國內(nèi)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(nèi),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(tài),這與國內(nèi)在超疏水領(lǐng)域研發(fā)水平較低,剛剛起步有關(guān)。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(jìn)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(jié)構(gòu)的快速發(fā)展。

1.2 國內(nèi)超疏水表面制備方法的專利申請人分析

國內(nèi)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(guān)專利申請量最多的為吉林大學(xué)、華南理工大學(xué)和哈爾冰工業(yè)大學(xué),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(shù)處于研究階段,我們國家對于該項技術(shù)的研究十分重視,有越來越多的高校加入到超疏水領(lǐng)域技術(shù)的研發(fā)中,但是同時也說明現(xiàn)在該領(lǐng)域的研究還處在實(shí)驗(yàn)階段,并沒有在產(chǎn)業(yè)上形成規(guī)模發(fā)展。

圖2

2 典型制備方法專利分析

2.1 刻蝕專利

申請?zhí)朇N200910066464.1,吉林大學(xué)申請的名稱為一種制備超疏水抗反射微米和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)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(wǎng)格結(jié)構(gòu),以銀或金納米粒子為阻擋進(jìn)行催化刻蝕,得到微米和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)表面,及對復(fù)合結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行化學(xué)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(tài)接觸角大于150°,水的靜態(tài)滾動角小于3°。應(yīng)用該刻蝕方法形成超疏水結(jié)構(gòu),可規(guī)模化生產(chǎn)并可以廣泛的應(yīng)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(yè)應(yīng)用前景。

2.2 電化學(xué)

申請?zhí)枮镃N201110152051.2,浙江大學(xué)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(jìn)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(huán)境友好。更突出的特點(diǎn)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(xué)方法制備超疏水結(jié)構(gòu),工藝簡單可控,不含腐蝕性物質(zhì),電鍍過程中無蒸汽排放,有利于大規(guī)模生產(chǎn)。

2.3 刻蝕和電化學(xué)

申請?zhí)枮镃N200910111202.2,集美大學(xué)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(xué)腐蝕后的鋁片作為陽極,以鉑片或鍍有鉑的鈦網(wǎng)作為陰極,陽極與陰極平行正對放置,以恒電流模式進(jìn)行一步陽極氧化;將經(jīng)過電化學(xué)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(xué)法或電化學(xué)法相比,兩步法結(jié)合化學(xué)法與電化學(xué)法的優(yōu)勢,所需加工時間更短,設(shè)備更簡單,利于規(guī)模化生產(chǎn),還可用于其他金屬的超疏水表面制備。

2.4 模板法

申請?zhí)朇N200910096817.2,浙江工業(yè)大學(xué)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(fù)制新鮮荷葉表面的微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(fù)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(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

3 結(jié)束語

超疏水涂層在自清潔、防覆冰、耐腐蝕和油水分離領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用商業(yè)價值,然而,國內(nèi)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(fù)雜、成本高、無法大規(guī)?；a(chǎn)等缺點(diǎn),并沒有被廣泛的應(yīng)用,接下來的研究技術(shù)核心是降低工藝難度和制造成本,實(shí)現(xiàn)理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化。(第二作者對本文的貢獻(xiàn)等同于第一作者)