本發(fā)明屬于表面處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水和超疏水可控逆變的方法。

背景技術(shù)：

浸潤(rùn)性是固體表面的一種重要特征。研究表明，浸潤(rùn)性是由其化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的(T.Onda,S.Shibuichi,N.Satoh,K.Tsujii,Langmuir1996,12,2125-2127；S.Shibuichi,T.Onda,N.Satoh,K.Tsujii,J.Phys.Chem.1996,100,19512-19517.W.Chen,A.Y.Fadeev,M.C.Hsieh,et al.Langmuir,1999,15,3395-3399.)。超親水性和超疏水性是表面浸潤(rùn)性的主要表現(xiàn)形式，通常意義上當(dāng)界面上的液體和界面的接觸角在150度左右時(shí)為超疏水，當(dāng)界面表面的液體和界面的接觸角在10度以下時(shí)為超親水(T.Onda,S.Shibuichi,N.Satoh,K.Tsujii,Langmuir 1996,12,2125-2127；H.Y.Erbil,A.L.Demirel,Y.Avcl et al.Science,2003,299,1377.)。具備這種性能的材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常主要的應(yīng)用。如礦物的泡沫浮選、防水、洗滌；超疏水界面材料用于飛機(jī)天窗的防霧、室外天線(xiàn)，可以防積雪，從而保證高質(zhì)量信號(hào)的接收；涂在輪船的外殼、燃燒儲(chǔ)備箱，可以達(dá)到防污、防腐的效果。

目前，調(diào)控界面親疏水性能的方法是通過(guò)控制固體表面的微觀結(jié)構(gòu)變化，如通過(guò)CdTe三維納米棒陣列的制備獲得穩(wěn)定的超疏水界面性能(B.W.Luo,Y.Deng,Y Wang et al.Applied Surface Science,2013,280,550.)。超疏水和超親水的可控轉(zhuǎn)變?cè)诓牧媳砻婕夹g(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)超親水和超疏水轉(zhuǎn)變方面，有報(bào)道采用紫外光照Z(yǔ)nO納米棒陣列實(shí)現(xiàn)了界面超親水和超疏水的轉(zhuǎn)變(X.J.Feng,L.Feng,M.H.Jin et al.Journal of American Chemistry Society，2004，126，62-63.)。這種通過(guò)高能光束照射改變親疏性能的方法具有可逆性，使其性能不太穩(wěn)定，限制了材料的工程化應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：提出一種實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水和超疏水可控逆變的方法，以便通過(guò)調(diào)控材料表面微結(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)超親水和超疏水可控逆變，克服現(xiàn)有技術(shù)中超親水和超疏水逆變不可控、以及在光束照射下性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水和超疏水可控逆變的方法，其特征在于：通過(guò)在玻璃表面生長(zhǎng)不同的納米層，實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水和超疏水的可控逆變，步驟如下：

1、實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水：

在玻璃表面生長(zhǎng)一層TiO₂一維納米棒陣列，使玻璃表面具有超親水的界面性能；生長(zhǎng)TiO₂一維納米棒陣列的方法是：

1.1、制備鹽酸溶液：將去離子水和等量的30％的鹽酸混合，得到鹽酸溶液，在空氣中攪拌至少1min；

1.2、制備鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液：向鹽酸溶液中加入鈦酸四丁酯，鈦酸四丁酯和鹽酸溶液的體積比為0.01～0.03,攪拌至少5min，將得到的鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜；

1.3、清洗玻璃：將玻璃放入裝有清洗液的超聲波清洗器中清洗至少30min后取出，用蒸餾水沖洗至少1min后烘干；清洗液為蒸餾水：丙酮：異丁醇＝1：1：1的混合溶液；

1.4、制備超親水表面：將玻璃放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，浸沒(méi)在鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液中，將高壓反應(yīng)釜在溫度為135℃的烘箱中反應(yīng)至少8h，然后將玻璃取出，用蒸餾水沖洗至少1min后烘干，此時(shí)的玻璃表面具有超親水界面性能；

2、將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻妫?/p>

通過(guò)在超親水界面性能的玻璃表面濺射碲化鎘，將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻妫粸R射碲化鎘的方法是：將碲化鎘靶材放入磁控濺射儀真空室中的射頻臺(tái)上；把超親水界面性能的玻璃放置于樣品臺(tái)上；調(diào)節(jié)樣品臺(tái)與射頻臺(tái)的距離d＝60mm～120mm；對(duì)真空室抽真空，使真空室內(nèi)的真空度達(dá)到1.0×10^－3Pa～4.0×10^－4Pa；把超親水界面性能的玻璃加熱至25℃～100℃；向真空室中充入氬氣，并將氬氣壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至0.4Pa～4.0Pa；施加射頻電流10mA～140mA，射頻電壓調(diào)節(jié)為0.1kV～0.60kV；沉積時(shí)間為5min～20min，然后自然冷卻至室溫，此時(shí)的玻璃表面具有超疏水界面性能；

3、將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水：

通過(guò)去除濺射在超親水界面性能的玻璃表面的碲化鎘，將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水的玻璃表面；去除的方法是：超疏水界面性能的玻璃放置于高溫快速退火爐中，加熱溫度為600℃～800℃，保溫時(shí)間至少20min，然后自然冷卻到室溫，此時(shí)的玻璃表面恢復(fù)為超親水界面性能。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：提出了一種實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水和超疏水可控逆變的方法，能通過(guò)調(diào)控材料表面微結(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)超親水和超疏水可控逆變，克服了現(xiàn)有技術(shù)中超親水和超疏水逆變不可控、以及在光束照射下性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單，可控逆變效果好，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是具有超親水界面性能的玻璃表面的掃描電鏡照片。圖中為上窄下寬的TiO₂一維納米棒陣列，由于其特殊的微結(jié)構(gòu)使其具有超親水性能。

圖2是具有超疏水界面性能的玻璃表面的掃描電鏡照片。圖中為CdTe濺射在TiO₂一維納米棒陣列表面，由于其界面微結(jié)構(gòu)變得粗糙使其具有超疏水性能。

圖3是具有超親水界面性能的玻璃表面的接觸角顯微照片。圖中較黑部分為水滴形狀，其圓弧度數(shù)為左右各6.1度，小于10度定義為超親水。

圖4是具有超疏水界面性能的玻璃表面的接觸角顯微照片。圖中圓球部分為水滴形狀，其圓弧度數(shù)為左右各接近150度定義為超疏水。

圖5是恢復(fù)為超親水界面性能的玻璃表面的接觸角顯微照片。圖中較黑部分為水滴形狀，其圓弧度數(shù)為左右各10度定義為超親水。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。一種實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水和超疏水可控逆變的方法，其特征在于：通過(guò)在玻璃表面生長(zhǎng)不同的納米層，實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水和超疏水的可控逆變，步驟如下：

1、實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水：

在玻璃表面生長(zhǎng)一層TiO₂一維納米棒陣列，使玻璃表面具有超親水的界面性能；生長(zhǎng)TiO₂一維納米棒陣列的方法是：

1.1、制備鹽酸溶液：將去離子水和等量的30％的鹽酸混合，得到鹽酸溶液，在空氣中攪拌至少1min；

1.2、制備鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液：向鹽酸溶液中加入鈦酸四丁酯，鈦酸四丁酯和鹽酸溶液的體積比為0.01～0.03,攪拌至少5min，將得到的鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜；

1.3、清洗玻璃：將玻璃放入裝有清洗液的超聲波清洗器中清洗至少30min后取出，用蒸餾水沖洗至少1min后烘干；清洗液為蒸餾水：丙酮：異丁醇＝1：1：1的混合溶液；

1.4、制備超親水表面：將玻璃放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，浸沒(méi)在鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液中，將高壓反應(yīng)釜在溫度為135℃的烘箱中反應(yīng)至少8h，然后將玻璃取出，用蒸餾水沖洗至少1min后烘干，此時(shí)的玻璃表面具有超親水界面性能；

2、將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻妫?/p>

通過(guò)在超親水界面性能的玻璃表面濺射碲化鎘，將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻?；濺射碲化鎘的方法是：將碲化鎘靶材放入磁控濺射儀真空室中的射頻臺(tái)上；把超親水界面性能的玻璃放置于樣品臺(tái)上；調(diào)節(jié)樣品臺(tái)與射頻臺(tái)的距離d＝60mm～120mm；對(duì)真空室抽真空，使真空室內(nèi)的真空度達(dá)到1.0×10^－3Pa～4.0×10^－4Pa；把超親水界面性能的玻璃加熱至25℃～100℃；向真空室中充入氬氣，并將氬氣壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至0.4Pa～4.0Pa；施加射頻電流10mA～140mA，射頻電壓調(diào)節(jié)為0.1kV～0.60kV；沉積時(shí)間為5min～20min，然后自然冷卻至室溫，此時(shí)的玻璃表面具有超疏水界面性能；

3、將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水：

通過(guò)去除濺射在超親水界面性能的玻璃表面的碲化鎘，將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水的玻璃表面；去除的方法是：超疏水界面性能的玻璃放置于高溫快速退火爐中，加熱溫度為600℃～800℃，保溫時(shí)間至少20min，然后自然冷卻到室溫，此時(shí)的玻璃表面恢復(fù)為超親水界面性能。

本發(fā)明的工作原理是：通過(guò)上窄下寬的TiO₂一維納米棒陣列特殊微結(jié)構(gòu)，使其具有超親水界面性能；通過(guò)CdTe覆蓋TiO₂材料表面改變微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超親水轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?；通過(guò)去除覆蓋TiO2材料表面的CdTe，還原超親水性。

實(shí)施例1：

1.實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水：

1.1、制備鹽酸溶液：將24ml的去離子水和30％的鹽酸24ml在燒杯中混合。將混合物在空氣中攪拌1min；

1.2、制備鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液：向鹽酸溶液中加入1.5ml鈦酸四丁酯,攪拌5min，將得到的鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜；

1.3、清洗玻璃：將玻璃放入裝有清洗液的超聲波清洗器中清洗30min后取出，用蒸餾水沖洗1min后烘干；清洗液為蒸餾水：丙酮：異丁醇＝1：1：1的混合溶液；

1.4、制備超親水表面：將玻璃放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，浸沒(méi)在鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液中，將高壓反應(yīng)釜在溫度為135℃的烘箱中反應(yīng)8h，然后將玻璃取出，用蒸餾水沖洗1min后烘干，此時(shí)的玻璃表面具有超親水界面性能；

2、將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻妫?/p>

將碲化鎘靶材放入磁控濺射儀真空室中的射頻臺(tái)上；把超親水界面性能的玻璃放置于樣品臺(tái)上；調(diào)節(jié)樣品臺(tái)與射頻臺(tái)的距離d＝60mm；對(duì)真空室抽真空，使真空室內(nèi)的真空度達(dá)到4.0×10^－4Pa；把超親水界面性能的玻璃加熱至25℃；向真空室中充入氬氣，并將氬氣壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至0.4Pa；施加射頻電流140mA，射頻電壓調(diào)節(jié)為0.10kV；沉積時(shí)間為5min，然后自然冷卻至室溫，此時(shí)的玻璃表面具有超疏水界面性能；

3、將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水：

通過(guò)去除濺射在超親水界面性能的玻璃表面的碲化鎘，將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水的玻璃表面；去除的方法是：超疏水界面性能的玻璃放置于高溫快速退火爐中，加熱溫度為600℃，保溫時(shí)間25min，然后自然冷卻到室溫，此時(shí)的玻璃表面恢復(fù)為超親水界面性能。

4、樣品表征：

將上述玻璃超親水界面(TiO₂一維納米棒陣列)和玻璃超疏水界面(TiO₂/CdTe一維納米棒陣列)進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，如圖1和2所示。對(duì)上述三種材料進(jìn)行表面接觸角表征，結(jié)果如圖3-5所示

實(shí)施例2：

1.實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水：

1.1、制備鹽酸溶液：將50ml的去離子水和30％的鹽酸50ml在燒杯中混合。將混合物在空氣中攪拌5min；

1.2、制備鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液：向鹽酸溶液中加入1.0ml鈦酸四丁酯，攪拌15min，將得到的鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜；

1.3、清洗玻璃：將玻璃放入裝有清洗液的超聲波清洗器中清洗60min后取出，用蒸餾水沖洗2min后烘干；清洗液為蒸餾水：丙酮：異丁醇＝1：1：1的混合溶液；

1.4、制備超親水表面：將玻璃放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，浸沒(méi)在鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液中，將高壓反應(yīng)釜在溫度為135℃的烘箱中反應(yīng)12h，然后將玻璃取出，用蒸餾水沖洗5min后烘干，此時(shí)的玻璃表面具有超親水界面性能；

2、將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻妫?/p>

通過(guò)在超親水界面性能的玻璃表面濺射碲化鎘，將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻?；濺射碲化鎘的方法是：將碲化鎘靶材放入磁控濺射儀真空室中的射頻臺(tái)上；把超親水界面性能的玻璃放置于樣品臺(tái)上；調(diào)節(jié)樣品臺(tái)與射頻臺(tái)的距離d＝120mm；對(duì)真空室抽真空，使真空室內(nèi)的真空度達(dá)到1.0×10^－3Pa；把超親水界面性能的玻璃加熱至100℃；向真空室中充入氬氣，并將氬氣壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至4.0Pa；施加射頻電流10mA，射頻電壓調(diào)節(jié)為0.60kV；沉積時(shí)間為20min，然后自然冷卻至室溫，此時(shí)的玻璃表面具有超疏水界面性能；

3、將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水：

通過(guò)去除濺射在超親水界面性能的玻璃表面的碲化鎘，將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水的玻璃表面；去除的方法是：超疏水界面性能的玻璃放置于高溫快速退火爐中，加熱溫度為800℃，保溫時(shí)間20min，然后自然冷卻到室溫，此時(shí)的玻璃表面恢復(fù)為超親水界面性能。

實(shí)施例3：

1.實(shí)現(xiàn)玻璃表面超親水：

1.1、制備鹽酸溶液：將12ml的去離子水和30％的濃鹽酸12ml在燒杯中混合。將混合物在空氣中攪拌3min；

1.2、制備鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液：向鹽酸溶液中加入0.48ml鈦酸四丁酯，攪拌25min，將得到的鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜；

1.3、清洗玻璃：將玻璃放入裝有清洗液的超聲波清洗器中清洗40min后取出，用蒸餾水沖洗3min后烘干；清洗液為蒸餾水：丙酮：異丁醇＝1：1：1的混合溶液；

1.4、制備超親水表面：將玻璃放入不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，浸沒(méi)在鈦酸四丁酯和鹽酸的混合溶液中，將高壓反應(yīng)釜在溫度為135℃的烘箱中反應(yīng)10h，然后將玻璃取出，用蒸餾水沖洗10min后烘干，此時(shí)的玻璃表面具有超親水界面性能；

2、將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻妫?/p>

通過(guò)在超親水界面性能的玻璃表面濺射碲化鎘，將超親水界面性能的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷缑嫘阅艿牟ＡП砻?；濺射碲化鎘的方法是：將碲化鎘靶材放入磁控濺射儀真空室中的射頻臺(tái)上；把超親水界面性能的玻璃放置于樣品臺(tái)上；調(diào)節(jié)樣品臺(tái)與射頻臺(tái)的距離d＝90mm；對(duì)真空室抽真空，使真空室內(nèi)的真空度達(dá)到8.0×10^－4Pa；把超親水界面性能的玻璃加熱至65℃；向真空室中充入氬氣，并將氬氣壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至2.0Pa；施加射頻電流30mA，射頻電壓調(diào)節(jié)為0.30kV；沉積時(shí)間為10min，然后自然冷卻至室溫，此時(shí)的玻璃表面具有超疏水界面性能；

3、將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水：

通過(guò)去除濺射在超親水界面性能的玻璃表面的碲化鎘，將超疏水的玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水的玻璃表面；去除的方法是：超疏水界面性能的玻璃放置于高溫快速退火爐中，加熱溫度為700℃，保溫時(shí)間25min，然后自然冷卻到室溫，此時(shí)的玻璃表面恢復(fù)為超親水界面性能。