CN112175520A - 一种超疏水、透明、耐久涂层的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合疏水材料技术领域，具体涉及一种超疏水、透明、耐久涂层的制备方法和应用。通过在纳米粒子表面接枝修饰低表面能分子，实现了纳米粒子的低表面能改性，将改性的纳米粒子与的具有优异力学性能的室温固化树脂进行混合得到了均匀的分散液，通过旋涂或喷涂的方式将分散液沉积在基体表面，制备了超疏水、透明、耐久的涂层。所制备超疏水涂层具有方法操作简单，低耗能，高效等特点并且兼具有透明、超疏水、良好的附着力、耐久性、自清洁等优异性能，这使得所制备超疏水涂层具有广泛的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合疏水材料技术领域，具体涉及一种超疏水、透明、耐久涂层的制备方法和应用。
背景技术
超疏水表面是指静态接触角＞150°，滚动角＜10°的新型特种表面，这种新型的表面与人类的生活密切联系，具有广泛的应用价值，具有自清洁、防雾、防水、防结冰、减阻、耐腐蚀、油水分离等特性，在建筑、电子、能源、航空、纺织领域具有十分广阔的应用前景，并且可以根据不同领域的特性及需求对超疏水涂层进行针对性的研发。自1997年Barthlott教授率先揭露了荷叶效应的原理之后，研究学者对材料表面的润湿行为有了更深刻的认识，同时也对超疏水的构筑机理进行进一步的研究并达成了共识：一是在表面构造一定的粗糙度，二是使用低表面能的化学物质对表面进行修饰。
CN111154396A公布了一种纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层及制备方法和应用，所述纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层是通过在纳米二氧化硅粒子表面接枝低表面能与高稳定性的疏水官能团分子后与硅树脂进行交联而形成的，形成的纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层具有低表面能与微纳二元粗糙结构的超疏水表面，其静态接触角为159.6°～161.8°。
CN107868533B公开了一种超疏水涂料及其制作耐久性超疏水涂层的方法，包括：(1)底漆：由40-70％氟树脂、5-20％固化剂、0-10％纳米粒子、15-45％溶剂组成；(2)面漆：由4-30％氟树脂、1-10％固化剂、2-10％纳米粒子和75-85％溶剂组成。将底漆喷涂至不同基材表面，室温固化一定时间后，接着喷涂面漆，室温固化2-7天，所得超疏水涂层漆膜具有良好硬度、附着力、柔韧性、耐冲击性能、耐磨性、耐酸碱性和耐盐性。由该超疏水涂料所得超疏水涂层材料具有高耐久性和基材通用性，适用于大面积施工，使金属、玻璃、石材、木材、织物等表面具有优异自清洁、防水性、耐酸碱性和耐腐蚀性。
然而在现有的技术中，并没有一种通过简单的工艺在低能耗的条件下高效、大规模制备出高透明度、良好附着力、耐磨、耐酸、耐热、耐水的超疏水涂层。本文基于溶胶凝胶法和旋涂技术制备出的常温固化超疏水涂层使得其机械稳定性、耐久性、疏水性及透明度等性能更为优异。
发明内容
为解决现有技术存在的一些问题，本文发明的目的在于提供一种超疏水、透明、耐久涂层的制备方法及其潜在应用性。该涂层具有高透明度、机械稳定、耐久性和基材通用性，可以大面积应用在玻璃、陶瓷、导电玻璃、铝、织物、ABS塑料等表面，使其疏水性大幅度提高。
为了达到此发明目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供了一种透明超疏水涂层，所述超疏水涂层包括室温固化树脂，溶剂和修饰纳米粒子。所述室温固化的树脂提供了涂层的力学性能及部分特殊性能，使得涂层具有一定的机械强度、基体结合力、良好的透明度以及较好的疏水性(107°)。修饰的纳米粒子有低表面能的接枝物以及较高的表面粗糙度。将两者结合后得到均匀的纳米粒子/树脂复合超疏水涂层分散液，分散液通过旋涂或喷涂的方式涂覆在机体表面上，室温固化24h后得到性能优异的超疏水涂层。
所述超疏水、透明、耐久涂层包括下列质量比的室温固化树脂、溶剂和修饰纳米粒子：
所述涂层包括14％-50％室温固化树脂、50％-85％溶剂、0.25％-3％修饰纳米粒子。
所述的14％-50％室温固化树脂包括0％-75％的非必要硅烷和25％-100％的必要硅烷；
进一步，所述14％-50％室温固化树脂中0％-75％的非必要硅烷包括苯基硅烷、异丁基硅烷、丙基硅烷、3-(异丁烯酰氧)丙基硅烷、巯基硅烷、十八烷基硅烷、十六烷基硅烷、甲基硅烷、氯丙基硅烷、四甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷(羟基封端)中的一种或多种。25％-100％的必要硅烷包括50％-75％的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、25％-38％的N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、3％-25％全氟癸基三甲氧基硅烷；
进一步，所述14％-50％室温固化树脂的催化剂为二丁基二月桂酸锡，树脂为具有长氟基链、环氧基以及硅氧链的网状结构。长氟基链可以降低树脂的表面能，环氧基团、硅氧链可以与基板的硅氧键相互作用从而增强树脂与基板的结合力，同时环氧基团可以与氨基发生化学反应从而提高树脂的力学性能。
所述的50％-85％溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、四氢呋喃、甲苯、乙酸乙酯、氯仿。
所述的0.25％-3％修饰纳米粒子包括80％-98％的纳米粒子和2％-20％的表面修饰剂；
进一步，所述0.25％-3％修饰纳米粒子中80％-98％的纳米粒子包括但不限于微米/纳米级的二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、聚合物纳米粒子等。2％-20％的表面修饰剂包括但不限于十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷。
本发明提出了一种透明超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将一定量的非必要硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和二丁基二月桂酸锡混合在玻璃烧瓶中搅拌30min，然后将混合溶液在室温条件老化一定时间。随后一定量的全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中再搅拌30min，形成链状硅氧烷。最后，在混合液加入一定量的N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌十分钟后放置得到室温固化树脂。
优选的，在步骤(1)中非必要硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、二丁基二月桂酸锡、全氟癸基三甲氧基硅和N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷的质量比为(50-80)：(12-20)：(0.2-0.5)：(0.1-0.2)：(6-10)。进一步优选的的质量比为75∶16∶0.35∶0.15∶8.5。
步骤(2)：取预设质量比的纳米和表面修饰剂分散在一定量的溶剂中。在室温下以一定转速搅拌一段时间后，超声处理一定时间得到均匀分散的纳米粒子悬浮液。
优选的，在步骤(2)中纳米粒子与表面修饰的质量比为12∶1，搅拌时间为1-3h，超声时间为1-2h。
步骤(3)：将步骤(1)所制备的树脂和步骤(2)所制备的纳米粒子悬浮液按照一定质量比混合并超声一定时间得到均匀混合液。
优选的，树脂和纳米粒子悬浮液质量比为1：(1-6)超声时间为5-15min。
步骤(4)：将步骤(3)所制备的均匀混合液用旋涂或喷涂的方法涂敷在基板上，放置在室温24h后制得超疏水、透明、耐久涂层。
优选的，旋涂法：将基板放在旋涂机上，设置匀胶机参数为500rmp,10s和1000rmp,10s，然后将混合液滴落在基板上进行旋涂。喷涂法：将所制备的混合液放置于喷枪中，喷嘴与基材表面的距离保持在20-30cm，喷嘴直径为0.5mm，喷枪压力为0.15MPa，将混合液喷涂在基体表面。
本文通过在纳米粒子表面接枝修饰低表面能分子，实现了纳米粒子的低表面能改性，将改性的纳米粒子与室温固化的具有优异力学性能的树脂进行混合得到了均匀的分散液。通过旋涂或喷涂的方式将分散液沉积在基体表面，制备了超疏水、透明、耐久的涂层。所制备超疏水涂层具有方法操作简单，低耗能，高效等特点并且兼具有透明、超疏水、良好的附着力、耐久性、自清洁等优异性能，这使得涂层具有广泛的市场应用前景。
附图说明
图1为实施例8的超疏水涂层表面水滴形貌。
图2为实施例8的超疏水涂层表面SEM图。
图3为实施例8自清洁示意图。
具体实施方式：
实施例1：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50ml的烧瓶中，将0.9g的SiO2纳米粒子和0.072g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶1混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施例2：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50mL的烧瓶中，将0.9g的SiO2纳米粒子和0.072g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶2混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施例3：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50mL的烧瓶中，将0.9g的SiO2纳米粒子和0.072g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶3混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施例4：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50mL的烧瓶中，将0.9g的SiO2纳米粒子和0.072g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶4混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施例5：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50mL的烧瓶中，将1.5g的SiO2纳米粒子和0.12g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶1混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施例6：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50mL的烧瓶中，将0.9g的SiO2纳米粒子和0.072g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶2混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施例7：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50mL的烧瓶中，将0.9g的SiO2纳米粒子和0.072g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶3混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施例8：
步骤(a)：依次将4.277g的非必要硅烷、0.945g的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、0.06g的二丁基二月桂酸锡加入到25mL的烧杯中搅拌30min，然后将溶液在室温条件下老化24h。随后将0.0034g全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中搅拌30min。随后，加入0.445g的固化剂N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌10min后形成稳定的混合液。
步骤(b)：在50mL的烧瓶中，将0.9g的SiO2纳米粒子和0.072g的全氟癸基三甲氧基硅烷分散到30g乙醇，然后将混合物搅拌1.5h，超声处理1h得到稳定的悬浮液。
步骤(c)：将步骤(a)制备的混合液和步骤(b)制备的悬浮液按照质量比1∶4混合在一起，超声处理5min后形成均匀混合物。
步骤(d)：将步骤(c)制备的混合物以旋涂或喷涂的方式涂覆到基板上，制备出超疏水、透明、耐久的涂层。
实施案例8测试数据
| 序号 | 检验项目 | 技术指标 |
| 1 | 外观 | 平整均匀，略白 |
| 2 | 接触角 | 160.1° |
| 3 | 透过率(200-800nm) | 93.6％ |
| 4 | 附着力 | 200次胶带粘贴测试循环后接触角保持在140° |
| 5 | 耐化学性(PH＝1,7,14) | 浸渍40min后，只有碱性溶液浸泡的涂层疏水角明显降低 |
| 6 | 耐热性 | 200℃保温4h后疏水角无明显变化，薄膜变微黄 |
| 7 | 抗紫外老化 | 按照ASTM D4587标准测试7天后，疏水角无明显变化 |
| 8 | 抗冲击 | 6000水滴冲击测试后接触角保持在135° |
| 9 | 应用 | 可应用于自清洁和油水分离 |
从上述实施例可以看出，利用本发明超疏水涂料制备高耐久性超疏水涂层，其涂层接触角为160.1°，具有较高的透过率(93.6)，良好的附着力，以及对酸、紫外线、冲击、高温的耐久性并且有着潜在的应用价值。综上，本发明通过简单的工艺方法制备了超疏水、透明、耐久涂层。
Claims (9)
1.所述超疏水、透明、耐久涂层包括下列质量比的室温固化树脂、溶剂和修饰纳米粒子；
所述涂层包括14％-50％室温固化树脂、50％-85％溶剂、0.25％-3％修饰纳米粒子。
2.所述的14％-50％室温固化树脂包括0％-75％的非必要硅烷和25％-100％的必要硅烷；
所述14％-50％室温固化树脂中0％-75％的非必要硅烷包括苯基硅烷、异丁基硅烷、丙基硅烷、3-(异丁烯酰氧)丙基硅烷、巯基硅烷、十八烷基硅烷、十六烷基硅烷、甲基硅烷、氯丙基硅烷、四甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷(羟基封端)中的一种或多种；25％-100％的必要硅烷包括50％-75％的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、25％-38％的N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、3％-25％全氟癸基三甲氧基硅烷；
所述14％-50％室温固化树脂的催化剂为二丁基二月桂酸锡，树脂为具有长氟基链、环氧基以及硅氧链的网状结构，长氟基链可以降低树脂的表面能，环氧基团、硅氧链可以与基板的硅氧键相互作用从而增强树脂与基板的结合力，同时环氧基团可以与氨基发生化学反应从而提高树脂的力学性能。
3.所述的50％-85％溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、四氢呋喃、甲苯、乙酸乙酯、氯仿。
4.所述的0.25％-3％修饰纳米粒子包括80％-98％的纳米粒子和2％-20％的表面修饰剂；
所述0.25％-3％修饰纳米粒子中80％-98％的纳米粒子包括但不限于微米/纳米级的二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、聚合物纳米粒子等；2％-20％的表面修饰剂包括但不限于十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷。
5.本发明提出了一种透明超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将一定量的非必要硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和二丁基二月桂酸锡混合在玻璃烧瓶中搅拌30min，然后将混合溶液在室温条件老化一定时间，随后一定量的全氟癸基三甲氧基硅烷加入到溶液中再搅拌30min，形成链状硅氧烷，最后，在混合液加入一定量的N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷搅拌十分钟后放置得到室温固化树脂；
步骤(2)：取预设质量比的纳米和表面修饰剂分散在一定量的溶剂中，在室温下以一定转速搅拌一段时间后，超声处理一定时间得到均匀分散的纳米粒子悬浮液；
步骤(3)：将步骤(1)所制备的树脂和步骤(2)所制备的纳米粒子悬浮液按照一定质量比混合并超声一定时间得到均匀混合液；
步骤(4)：将步骤(3)所制备的均匀混合液用旋涂或喷涂的方法涂敷在基板上，放置在室温24h后制得超疏水、透明、耐久涂层。
6.根据权利要求5所述透明超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中非必要硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、二丁基二月桂酸锡、全氟癸基三甲氧基硅和N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷的质量比为(50-80):(12-20):(0.2-0.5):(0.1-0.2):(6-10)。
7.根据权利要求5所述透明超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中纳米粒子与表面修饰的质量比为12:1，搅拌时间为1-3h，超声时间为1-2h。
8.根据权利要求5所述透明超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中树脂和纳米粒子悬浮液质量比为1:(1-6)超声时间为5-15min。
9.根据权利要求5所述透明超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中旋涂法：将基板放在旋涂机上，设置匀胶机参数为500rmp,10s和1000rmp,10s，然后将混合液滴落在基板上进行旋涂；喷涂法：将所制备的混合液放置于喷枪中，喷嘴与基材表面的距离保持在20-30cm，喷嘴直径为0.5mm，喷枪压力为0.15MPa，将混合液喷涂在基体表面。
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