CN103044981A - 一种具有吸波和辐射功能的纳米涂层的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料科学领域，涉及纳米技术、溶胶技术、纳米薄膜制造技术及相关应用，本发明公开了一种制造具有磁性和红外辐射性能纳米溶胶薄膜的方法，应用材料设计技术，设计和制备特殊组成和结构的具有磁性的纳米粉体和具有红外辐射性能的纳米粉体，将此功能纳米粉体混合进入纳米溶胶，制备复合纳米溶胶，涂覆于基体材料表面，凝胶固化后形成纳米溶胶薄膜，该方法可以适用于有机高分子材料表面、无机非金属材料表面和金属材料表面，赋予基材吸波性能和红外辐射性能，可以广泛应用于各种材料的表面改性。

Description

一种具有吸波和辐射功能的纳米涂层的制造方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，涉及纳米技术、溶胶技术、纳米薄膜制造技术及相关应用，本发明所公开的一种特殊纳米溶胶及其成膜方法，可以在基材表面形成具有特殊电磁性能的纳米薄膜，赋予材料吸收和辐射能量之功能。

背景技术

纳米技术：粒径小于100纳米的材料称为纳米材料，纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，从而具有三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

溶胶：溶胶是指通过水解和聚合作用，在溶剂中形成的有机或无机的纳米或微米级的粒子即胶体粒子，这些粒子具有带相反电荷的吸附层和扩散层，称为双电层，双电层之间的电位差称为ζ电位，这些胶体粒子由于带有ζ电位而相互排斥，从而能以悬浮状态存在于溶剂中，即形成溶胶，ζ电位越高，微粒间斥力越大，溶胶越稳定；胶体粒子由于失去电荷，或者包覆在外圈的溶剂层被破坏，胶体粒子发生聚合，溶胶发生固化即形成凝胶。

溶胶制造中存在一个较大的难题是，溶胶由于各种因素的影响，失去稳定性，发生凝胶。这给溶胶的大规模制造和应用形成严重的制约，解决溶胶的稳定性，是拓展溶胶应用空间的前提条件。

溶胶凝胶涂层工艺：用溶胶凝胶膜技术制备涂层。以金属盐或者有机盐溶液为原料，经过适当的水解和聚合反应，在基体材料上制成含有金属氧化物或氢氧化物离子的溶液胶，并凝胶化，再把凝胶加热，最后经干燥、煅烧和烧结获得所需的薄膜。

溶胶通常采用浸润提拉、匀胶甩膜等工艺制备薄膜，这些方法的一个共同缺陷就是，只适合于二维平面涂膜，对于三维基材，则无法涂膜。

溶胶成膜通常在较高的温度下固化，有机薄膜固化一般在130度至200度，无机薄膜固化一般在500度至600度；即使在130度时，多少常用的有机高分子材料都可能发生变形；在100度以下的温度，使溶胶成膜固化，是一个适用而又困难的挑战。

发明内容

应用材料设计技术，预先设计好具有铁磁性的材料配方，应用溶胶凝胶法制备铁磁性纳米粉体；为了获得能够吸收较宽波长的射线的吸波材料，一个优选的方案是，将预先合成的纳米铁酸镍粉体、纳米四氧化三铁粉体和纳米氧化锰粉体进行混合，加入硅烷偶联剂，加热到摄氏100度至200度，经过高速搅拌混合，制成硅烷活化复合纳米粉体。

 为了控制粉体的粒径在纳米尺度内，通常选用硝酸铁、硝酸镍、硝酸锰等作为前体，加入柠檬酸作为螯合剂与金属离子进行螯合，加入葡萄糖、蔗糖作为包覆剂，抑制溶胶凝胶过程中纳米颗粒的团聚。

应用材料设计技术，预先设计好具有红外辐射性能的材料配方，应用溶胶凝胶法制备具有红外辐射性能的纳米粉体；为了获得能够良好红外辐射性能的纳米粉体，一个优选的方案是，选用碳酸镁、氯化铝和硅酸乙酯作为前体，加入柠檬酸作为螯合剂与金属离子进行螯合，加入葡萄糖、蔗糖作为包覆剂，抑制溶胶凝胶过程中纳米颗粒的团聚。

通过水解金属醇盐或有机金属化合物，获得作为功能纳米粉体载体的溶胶，一个优选的方案是，在酸性乙醇中，水解硅酸乙酯预聚体，制成硅溶胶；为了生成颗粒度较小的溶胶以及控制溶胶的粒径分布，需要将溶胶控制为稀溶液，一个优选的方案是摩尔浓度在0.1mol/L至0.2mol/L。

将具有吸波性能的纳米复合粉体加入作为载体的纳米溶胶中充分混合均匀，制成复合溶胶，涂覆到基材表面，经过自然干燥和烘烤，制成具有吸波性能的纳米薄膜。

将具有红外辐射性能的纳米粉体加入作为载体的纳米溶胶中充分混合均匀，制成复合溶胶，涂覆到基材表面，经过自然干燥和烘烤，制成具有红外辐射性能的纳米薄膜。

将具有吸波性能的纳米复合粉体和具有红外辐射性能的纳米粉体，加入作为载体的纳米溶胶中充分混合均匀，制成复合溶胶，涂覆到基材表面，经过自然干燥和烘烤，制成具有吸波性能和红外辐射性能的纳米薄膜。

溶胶体系的失稳，首先是从溶胶颗粒的自团聚开始的，为了保持溶胶的长期稳定，本发明公开的方法是，通过添加有机小分子单体，通过表面基团与溶胶颗粒结合，起到阻隔剂的作用，抑制溶胶颗粒的团聚或长大；同时通过添加（但不仅限于）氧氯化锆水解液制成的酸性锆溶液，保持整个溶胶体系处于高酸度状态下；高酸度状态下，氢离子浓度较大，有利于保持溶胶中胶粒的稳定，使溶胶长期稳定。

溶胶制备过程中希望浓度越小越好，而溶胶涂覆时要求较高的浓度，以保证基材表面被充分的涂覆，这是一个相互矛盾要求；为解决这个问题，本发明公开的方法是，添加（不仅限于）聚乙烯醇等作为溶胶的增溶剂，避免溶胶颗粒团聚或长大的前提下，提高溶胶的浓度。

为使溶胶在涂覆过程中具有良好的自流平性能，以形成均匀的薄膜，本发明给出的一个优选方案是，添加有机氟树脂降低溶胶的表面张力。

为使在基材表面形成均匀、透明、与基材结合牢固的薄膜，喷涂好溶胶薄膜的基材，需要放置30分钟至1小时，使薄膜的组成物进行充分老化。

为满足有机高分子基材耐高温性能有限的要求，一个优选的方案是，将纳米复合溶胶涂覆到有机高分子材料表面，形成薄膜层，经摄氏100度至200度的烘烤，制成附着于有机高分子材料表面的功能纳米薄膜。

对于陶瓷、玻璃等无机非金属材料，一个优选的方案是，将纳米复合溶胶涂覆到无机非金属材料表面，形成薄膜层，经摄氏500度至600度的烘烤，制成附着于无机非金属材料表面的功能纳米薄膜。

对于诸如（但不仅限于）铝材、铜材、不锈钢或钛合金等金属材料，一个优选的方案是，将纳米复合溶胶涂覆到金属材料表面，形成薄膜层，经摄氏200度至400度的烘烤，制成附着于金属材料表面的功能纳米薄膜。

实施例一：常用的微晶玻璃制品由于无法截断电磁波，通常不能用于电磁炉的炊具，通过在微晶玻璃制品表面涂覆一层具有吸波性能的纳米薄膜，可以制造出直接用于电磁炉的微晶玻璃炊具，包括以下步骤：

1）按照本发明所述方法，制备具有吸波性能的纳米复合溶胶；

2）将该纳米复合溶胶涂覆在微晶玻璃炊具表面；

3）在低于微晶玻璃软化点的温度范围内进行烘烤，自然冷却，制成可用于电磁炉的微晶玻璃炊具。

实施例二：高功率LED灯普遍存在散热困难问题，通过在LED灯的塑料支架上喷涂具有红外辐射性能的纳米薄膜，可以有效增加LED灯的散热，包括以下步骤：

1）按照本发明所述方法，制备具有红外辐射性能的纳米复合溶胶；

2）将该纳米复合溶胶喷涂在LED灯具的塑料支架上；

3）加热到摄氏100度至120度烘烤30分钟至90分钟，LED灯具的支架表面形成一层能够以红外辐射方式散热的纳米薄膜，有效增加LED灯的散热。

实施例三：一种具有吸收雷达波性能的钛合金材料，其制造过程包括以下步骤：

1） 按照本发明所属方法，制备化学组成包括铁酸镍、四氧化三铁和氧化锰的纳米复合溶胶；

2） 将该纳米复合溶胶喷涂到钛合金表面，形成薄膜；

3） 加热到摄氏300度至400度烘烤90分钟至120分钟，在钛合金表面形成纳米薄膜，不但能吸收雷达波，而且能对钛合金起防腐保护作用。

Claims (4)

1.一种纳米复合溶胶制备方法及其制成纳米薄膜的方法，包括以下步骤：

1）按照材料设计技术设计好的化学计量比，以易溶于水的硝酸盐或盐酸盐，配制例如（但不仅限于）铁酸镍、四氧化三铁等磁性材料的配方；

2）加入适量的如蔗糖、葡萄糖或柠檬酸等有机物，充分搅拌均匀；在摄氏120度至150度烘烤蒸发溶剂，再在摄氏300度至900度烧成磁性材料纳米粉体；或者

3）按照材料设计技术设计好的化学计量比，以易溶于水的硝酸盐或盐酸盐，配制例如（但不仅限于）硅铝酸镁等具有堇青石结构的红外辐射材料的配方；

4）加入适量的如蔗糖、葡萄糖或柠檬酸等有机物，充分搅拌均匀；在摄氏120度至150度烘烤蒸发溶剂，再在摄氏800度至1300度烧成红外辐射材料的纳米粉体；

5）将磁性材料纳米粉体或红外辐射材料纳米粉体或两种纳米粉体的混合物，加入硅烷偶联剂，加热到摄氏100度至200度，高速混合搅拌；

6）以金属醇盐或有机金属化合物作为前体，在酸性有机溶剂中进行水解，制备纳米溶胶；

7）将经过硅烷偶联剂活化处理的纳米粉体加入纳米溶胶中，充分混合均匀，制成纳米复合溶胶；

8）将纳米复合溶胶涂覆到基材表面，经过自然干燥，形成凝胶；

9）在摄氏100度至150度烘烤，在有机高分子材料表面形成纳米薄膜；或者

10）在摄氏500度至600度烘烤，在无机非金属材料表面形成纳米薄膜。

2.以上述制备纳米复合溶胶方法及相应制造纳米薄膜方法，制造具有吸波性能纳米薄膜的方法。

3.以上述制备纳米复合溶胶方法及相应制造纳米薄膜方法，制造具有辐射性能纳米薄膜的方法。

4.以上述制备纳米复合溶胶方法及相应制造纳米薄膜方法，制造具有吸波和辐射性能纳米薄膜的方法。