CN103555012B - 超双疏透明纳米涂层及其制备方法 - Google Patents

超双疏透明纳米涂层及其制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种超双疏透明纳米涂层及其制备方法,是通过制备两种不同尺寸(60‑100nm与20‑50nm)的二氧化硅杂化颗粒,通过这两种杂化颗粒之间的进一步反应制备得到了具有微纳米结构的粗糙表面,由于所使用的杂化颗粒的尺寸都小于100nm,减小了可见光波段光的散射,因此保证了所制备的纳米涂层在可见光波段具有很高的透明性。之后,通过化学气相沉积法对上述的粗糙表面进行进一步降低表面能处理,从而得到了超双疏透明纳米涂层。所制备的超双疏纳米涂层的疏水、疏油效果明显,透明性高,生产工艺简单,具有较好的实际应用前景。

Description

超双疏透明纳米涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及两种纳米二氧化硅杂化颗粒的制备方法,尤其涉及到以此杂化颗粒来制备一种超双疏透明纳米涂层的方法。
背景技术
在自然界中,存在大量的具有双尺寸微纳米几何结构的表面,例如荷叶、壁虎的脚、郁金香的叶子以及一些鸟类的翅膀,这些表面能够表现出非常独特的超疏水特性(L.Jiang,Y.Zhao,J.Zhai,Angew.Chem.2004,116,4438-4441.T.S.Kustandi,V.D.Samper,D.K.Yi,et al.Adv.Funct.Mater.2007,17,2211–2218.J.Zhang,G.Pu,S.J.Severtson,ACS Appl.Mater.Interfaces2010,2,2880-2883.)。然而,这些表面却很容易受到各种油污的污染而丧失其超疏水特性。超双疏表面不仅具有很强的拒水能力,还能够防止油污污染所造成的表面性质的变化,因此具有极好的自清洁性能与持久性。超双疏表面这些独特的性能使得其不管在日常生活,还是工业生产过程中都受到了极大地关注。迄今为止,超双疏的表面的制备主要是通过降低表面能与提高表面粗糙度来实现的,然而,在前人的研究当中,仍然存在着一些有待解决的问题,例如制备的过程过于繁琐、反应条件过于苛刻以及超双疏水涂层的透明度过低等。
本发明通过简单制备工艺制备了两种不同尺寸(100nm与30nm)的二氧化硅纳米杂化颗粒,通过这两种杂化颗粒之间的进一步反应制备得到了具有微纳米结构的粗糙表面,由于所使用的杂化颗粒的尺寸都小于100nm,减小了可见光波段光的散射,因此保证了所制备的纳米涂层在可见光波段具有很高的透明性(J.Lin,H.Chen,T.Fei,et al.,Colloids Surf.A:Physicochem.Eng.Aspects.2013,421,51-62.R.G.Karunakaran,C.-H.Lu,Z.Zhang,et al.,Langmuir2011,27,4594-4602.)。之后,通过化学气相沉积法对上述的粗糙表面进行进一步降低表面能处理,从而得到了超双疏透明纳米涂层。这种超双疏纳米涂层的制备工艺简单,且具有高度的透明性,具有很强的工业化能力与应用前景。本发明所制备的超双疏纳米涂层,对水的接触角在160-170°之间,对十二烷烃的接触角在150°左右,因此具有很好的防水、耐油污与自清洁能力。
发明内容
本发明制备了一种超双疏透明纳米涂层,这种超双疏纳米涂层外观透明,具有极好的超疏水、超疏油特性,可以作为耐油污自清洁涂层来使用。
本发明的技术方案为:先通过溶胶-凝胶法制备20-50nm与60-100nm的二氧化硅颗粒,然后分别以3-氨丙基烷氧基硅烷与γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷对两种尺寸二氧化硅进行改性,之后将得到的两种杂化颗粒进行进一步的反应得到混合溶胶,通过浸涂法得到具有微纳米结构的粗糙表面,最后通过含氟硅烷在上述表面进行气相沉积,从而得到超双疏透明纳米涂层。
本发明涉及的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其具体步骤如下:
(A)3-氨丙基改性二氧化硅颗粒的制备:
首先制备20-50nm的单分散二氧化硅颗粒,即在四口烧瓶中加入15ml25%的氨水和200ml的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6ml的正硅酸乙酯,60℃反应3-5h,得到20-50nm二氧化硅颗粒溶胶。将3-氨丙基三烷氧基硅烷加入上述的二氧化硅溶胶当中,其中3-氨丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:1~1:10,在,50-60℃继续搅拌反应6-12h,之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50ml乙醇溶液当中,得到3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液。
(B)γ-缩水甘油醚氧丙基改性二氧化硅颗粒的制备:
首先制备60-100nm的二氧化硅颗粒,即在四口烧瓶中加入15ml25%的氨水和200ml的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6ml的正硅酸乙酯,60℃反应5-10h,得到60-100nm的二氧化硅颗粒溶胶。将γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷加入到上述的二氧化硅溶胶当中,其中γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:1~1:10,50℃反应6-12h。之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50ml乙醇溶液当中,得到γ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液。
(C)超双疏透明纳米涂层的制备
在四口瓶当中,50℃下将50mlγ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液缓慢滴加到50ml3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液当中,在剧烈搅拌的前提下反应24h得到二氧化硅改性颗粒网络,将此改性颗粒网络通过浸涂或者喷涂法涂覆至基材表面,从而得到微纳米尺寸小于100nm的粗糙表面。
在密闭容器当中放入两个敞口烧杯与涂覆有改性颗粒网络的基材,分别在两个烧杯当中加入3-8g含氟硅烷偶联剂与3-8g的氨水溶液,在25℃条件下气相沉积24-48h,从而得到超双疏透明纳米涂层。
优选3-氨丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:2~1:5。
优选3-氨丙基三烷氧基硅烷改性二氧化硅颗粒的尺寸为30nm。
优选γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:2~1:5。
优选γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷改性的二氧化硅颗粒的尺寸为100nm。
本发明制得的超双疏水透明纳米涂层的接触角按常规方法测定。
本发明通过溶胶-凝胶法制备了20-50nm与60-100nm的二氧化硅颗粒,然后分别以3-氨丙基烷氧基硅烷与γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷对两种尺寸二氧化硅进行改性,之后将得到的两种杂化颗粒进行进一步的反应得到混合溶胶,通过浸涂法得到具有微纳米结构的粗糙表面,最后通过含氟硅烷在上述表面进行气相沉积,从而得到超双疏透明纳米涂层,这种制备方法原料易得,制备步骤简便,因此具有较强的应用与工业化前景。
具体实施方式
实施例1:
在四口烧瓶中加入15ml25%的氨水和200ml的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6ml的正硅酸乙酯,60℃反应4h,得到30nm二氧化硅颗粒溶胶。将3-氨丙基三烷氧基硅烷加入上述的二氧化硅溶胶当中,其中3-氨丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:2,在,50-60℃继续搅拌反应12h,之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50ml乙醇溶液当中,得到3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液。
在四口烧瓶中加入15ml25%的氨水和200ml的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6ml的正硅酸乙酯,60℃反应10h,得到100nm的二氧化硅颗粒溶胶。将γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷加入到上述的二氧化硅溶胶当中,其中γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:2,50℃反应12h。之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50ml乙醇溶液当中,得到γ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液。
在四口瓶当中,50℃下将50mlγ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液缓慢滴加到50ml3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液当中,在剧烈搅拌的前提下反应24h得到二氧化硅改性颗粒网络,将此改性颗粒网络通过浸涂或者喷涂法涂覆至基材表面,从而得到微纳米尺寸小于100nm的粗糙表面。
在密闭容器当中放入两个敞口烧杯与涂覆有改性颗粒网络的基材,分别在两个烧杯当中加入5g含氟硅烷偶联剂与5g的氨水溶液,在25℃条件下气相沉积24h,得到超双疏透明纳米涂层对水的接触角为167.7°,对十二烷烃的接触角为155.6°。
实施例2:
在四口烧瓶中加入15ml25%的氨水和200ml的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6ml的正硅酸乙酯,60℃反应4h,得到30nm二氧化硅颗粒溶胶。将3-氨丙基三烷氧基硅烷加入上述的二氧化硅溶胶当中,其中3-氨丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:5,在,50-60℃继续搅拌反应12h,之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50ml乙醇溶液当中,得到3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液。
在四口烧瓶中加入15ml25%的氨水和200ml的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6ml的正硅酸乙酯,60℃反应10h,得到100nm的二氧化硅颗粒溶胶。将γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷加入到上述的二氧化硅溶胶当中,其中γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:5,50℃反应12h。之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50ml乙醇溶液当中,得到γ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液。
在四口瓶当中,50℃下将50mlγ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液缓慢滴加到50ml3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液当中,在剧烈搅拌的前提下反应24h得到二氧化硅改性颗粒网络,将此改性颗粒网络通过浸涂或者喷涂法涂覆至基材表面,从而得到微纳米尺寸小于100nm的粗糙表面。
在密闭容器当中放入两个敞口烧杯与涂覆有改性颗粒网络的基材,分别在两个烧杯当中加入5g含氟硅烷偶联剂与5g的氨水溶液,在25℃条件下气相沉积24h,得到超双疏透明纳米涂层对水的接触角为164.3°,对十二烷烃的接触角为149.8°。

Claims (8)

1.一种超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:具体步骤如下:
(A)3-氨丙基改性二氧化硅颗粒的制备:
首先制备20-50 nm的单分散二氧化硅颗粒,即在四口烧瓶中加入15 mL 浓度为25%的氨水和200 mL的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6mL的正硅酸乙酯,60 ℃反应3-5h,得到20-50 nm的二氧化硅颗粒溶胶;将3-氨丙基三烷氧基硅烷加入上述的二氧化硅溶胶当中,其中3-氨丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:1~1:10,在50-60℃继续搅拌反应6-12 h,之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50 mL乙醇溶液当中,得到3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液;
(B)γ-缩水甘油醚氧丙基改性二氧化硅颗粒的制备:
首先制备60-100 nm的二氧化硅颗粒,即在四口烧瓶中加入15 mL 25%的氨水和200 mL的乙醇,搅拌均匀,逐滴加入6mL的正硅酸乙酯,60℃反应5-10h,得到60-100 nm的二氧化硅颗粒溶胶;将γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷加入到上述的二氧化硅溶胶当中,其中γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:1~1:10,50℃反应6-12 h;之后将得到改性颗粒离心分离、洗涤后再分散于50 mL乙醇溶液当中,得到γ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液;
(C)超双疏透明纳米涂层的制备:
在四口瓶当中,50 ℃下将50 mLγ-缩水甘油醚氧丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液缓慢滴加到50 mL3-氨丙基改性的二氧化硅的乙醇分散液当中,在剧烈搅拌的前提下反应24 h得到二氧化硅改性颗粒网络,将此改性颗粒网络通过浸涂或者喷涂法涂覆至基材表面,从而得到微纳米尺寸小于100 nm的粗糙表面;
在密闭容器当中放入两个敞口烧杯与涂覆有改性颗粒网络的基材,分别在两个烧杯当中加入3-8g含氟硅烷偶联剂与3-8 g的氨水溶液,在25 ℃条件下气相沉积24-48 h,从而得到超双疏透明纳米涂层。
2.根据权利要求1所述的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:所使用的3-氨丙基三烷氧基硅烷优选为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷或者3-氨丙基三异丙氧基硅烷。
3.根据权利要求1所述的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:所使用的γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷优选为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三乙氧基硅烷或者γ-缩水甘油醚氧丙基三异丙氧基硅烷。
4.根据权利要求1所述的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:所使用的含氟硅烷偶联剂采用含氟的硅烷,为十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷。
5.根据权利要求1所述的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:优选3-氨丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:2~1:5。
6.根据权利要求1所述的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:优选3-氨丙基三烷氧基硅烷改性二氧化硅颗粒的尺寸为30 nm。
7.根据权利要求1所述的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:优选γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1:2~1:5。
8.根据权利要求1所述的超双疏透明纳米涂层的制备方法,其特征在于:优选γ-缩水甘油醚氧丙基三烷氧基硅烷改性的二氧化硅颗粒的尺寸为100 nm。
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