CN103936297A - 一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法，本发明属于新型材料领域，特别属于自清洁光学材料领域。本发明先通过NH₄F/HF刻蚀液刻蚀玻璃本体表面，以获得超双疏所需的表面双级微纳结构中的下层亚微米粗糙结构，然后通过纳米二氧化硅的混合溶剂分散液进行喷涂，直接构建成具有悬垂结构的双级粗糙玻璃表面层，通过调控溶剂的比例，可达到最佳填充因子，再以小分子含氟化合物为修饰剂，以具有优良成膜性能及透光性的聚甲基丙烯酸甲酯为成膜液，进行氟化修饰，制得耐候性强，稳定性好的超双疏增透玻璃表面层；且工艺简单，不需要复杂的设备，易于操作，成本低廉，具有很高的工业化价值。

Description

一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法

技术领域

一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法，本发明属于新型材料领域，特别属于自清洁光学材料领域。具体涉及无机纳米材料的制备、光学涂层膜的制备、表面处理技术领域。

背景技术

为了防止透明基材受到污染，影响其透光率，需对其表面进行自清洁增透涂层保护性处理。具有超双疏（超疏水、超疏油）高透光率的涂层膜，具有防霜、防雾、抗污染、抑菌的自清洁性能，且兼具优良的透光性，可在恶劣的环境中有效地保护光学元件、光电子元件、太阳能电池和激光系统的性能不受环境的影响，大大拓宽了这些设备的使用范围，保证了使用可靠性和延长使用寿命，从而大幅度地提高这些设备的实用价值。

超疏水表面在自然界中很常见，如植物的叶子、水黾的脚、蜘蛛的丝、蝴蝶的翅膀、西瓜皮、蛾眼等。水在这些表面上形成接触角超过150°的小液珠，若表面略微倾斜就会迅速滚落。表面污染物如灰尘等可以被滚落的水滴带走而不留下任何痕迹，这种表面自清洁效应，称为“荷叶效应”。经研究表明：荷叶的超疏水性是由表面上的微米-纳米级复合结构的乳突及表面疏水的蜡状物质共同作用产生的，其微观结构为下层微米级的乳突上分布着纳米级的微结构。因此公认的制备超疏水表面的关键是有效构筑表面微纳复合结构（或表面粗糙度）及进行表面化学修饰以降低表面自由能。在平表面上，通过降低表面自由能最多只能将接触角提高至大约119°。因此，人工构建超疏水表面的关键在于构筑合适的、具有双（多）重微纳复合粗糙度的层次结构。

与超疏水表面相比，构建超双疏表面是个技术难题，因为低表面能的有机液体，如醇或油，更易于在固体表面铺展开来。因此大多超疏水的表面并不疏油，即不能有效避免低表面能液体造成的污染，如植物油，而这种油污染可以轻易地影响甚至完全破坏其超疏水性。现实的应用环境里很多污染物为有机物，因此表面必须同时疏水疏油才能有效阻止或减少有机污染物的附着、防灰尘、防结霜、防雾和抑菌，从而真正实现自清洁效果。

另一方面，表面粗糙度越大，疏水性能越好。但是粗糙度越大，表面散射越强，导致透光率降低。由于透光率与粗糙度是两个相互竞争的因素，因此控制合适的表面粗糙度，构建超疏水超疏油增透涂层膜是个技术难题。目前的文献报道主要集中于超疏水涂层，少量涉及超疏水透明涂层膜或超疏水超疏油涂层膜，这些人工构建的双（多）重微纳复合粗糙层次结构在提高涂层表面疏水疏油性能的同时，有的降低了透光率，有的由于基材和微纳复合粗糙结构之间及微纳复合粗糙结构内部结合力多为物理吸附，因而结合力弱，机械性能差，耐用性不够，性能不稳定，更有甚者容易脱落，难以在恶劣环境中使用，使其实用价值大打折扣。

因此构建具有超疏水超疏油兼有增透功能的，高机械强度、高稳定性、耐用性强的玻璃表面，是个亟待解决的问题，具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法，使所得玻璃表面层具有超疏水超疏油自清洁性能的同时兼有优良的透光率和高机械强度，实现稳定性高、耐用性强、具有实际应用价值的自清洁玻璃表面层，可在恶劣的环境中有效地保护光学元件、光电子元件、太阳能电池和激光系统的性能不受环境的影响，大大拓宽这些设备的使用范围，保证其使用可靠性和延长其使用寿命，从而大幅度地提高这些设备的实用价值。

本发明的技术方案：一种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法，可通过以下技术方案实现：先通过NH₄F/HF刻蚀液刻蚀玻璃本体表面，以获得超疏水超疏油所需的表面双级微纳结构中的下层亚微米粗糙结构，然后通过纳米二氧化硅在混合溶剂中的分散液进行喷涂，直接构建成具有悬垂结构的双级粗糙玻璃表面层，通过调控溶剂的比例，可达到最佳填充因子，再以小分子含氟化合物为修饰剂，以具有优良成膜性能及透光性的聚甲基丙烯酸甲酯为成膜液，进行氟化修饰，制得所述超双疏增透玻璃表面层。

一种超双疏增透玻璃表面层的制备方法，具体包括如下步骤：

亚微米级粗糙玻璃表面的制备：玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀30～60min，NH₄F/HF刻蚀液的配比：氢氟酸(mL):水(mL):氟化铵（g）为0.1～0.15:1:0.5～0.6，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；

组装二氧化硅纳米涂层：纳米二氧化硅，分散于己烷与醇的混合溶剂中，超声30～60min，然后滴加浓盐酸（37wt%），超声90～120min，得纳米二氧化硅旋涂液；其中各物质加入的比例为：醇:己烷:浓盐酸体积比为5～20:10:1；纳米二氧化硅（g）:浓盐酸(mL)为0.2～0.5:1；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置2～5min，进行下一次旋涂，共旋涂3～5次，最后将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热1～2h，得双级粗糙结构玻璃表面层；

氟化后处理：小分子含氟化合物溶于1～5wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为1～2wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得双级粗糙结构玻璃表面层上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。

所述小分子含氟化合物优选为：2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯、甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯或甲基丙烯酸-2,2,3,4,4,4-六氟丁酯。

所述醇优选为：甲醇、乙醇或正丁醇。

所述纳米二氧化硅优选为：亲水性气相二氧化硅。

所述的亲水性气相二氧化硅优选为：国产亲水性气相二氧化硅：Y150、Y200、Y300或Y380。

一种根据上述制备方法制备得到的超双疏增透玻璃表面层。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明先通过NH₄F/HF刻蚀液刻蚀玻璃本体表面，以获得超疏水超疏油所需的表面双级微纳结构中的下层亚微米粗糙结构，然后通过纳米二氧化硅的混合溶剂分散液进行喷涂，直接构建成具有悬垂结构的双级粗糙玻璃表面层，通过调控溶剂的比例，可达到最佳填充因子，再以小分子含氟化合物为修饰剂，以具有优良成膜性能及透光性的聚甲基丙烯酸甲酯为成膜液，进行氟化修饰，制得所述超双疏增透玻璃表面层。所得增透玻璃表面层均达到超疏液的自清洁高标准，水接触角≥163°，滚动角≤ 8°；葵花籽油的接触角≥151°，滚动角≤10°，测试液均为5μL；尤其兼具优良的透光率，平均透光率＞92%，峰值透光率最大可达98.9%，很好地实现了高透光率和疏水疏油的平衡，耐候性强，稳定性好，且工艺简单，不需要复杂的设备，易于操作，成本低廉，具有很高的工业化价值；这种超双疏增透玻璃表面层及其制备方法都属于首创性的工作。

附图说明

图1 为本发明实施例5所得超双疏增透玻璃表面层的水接触角（1）和葵花籽油接触角（2）。

图2 为本发明实施例5所得超双疏增透玻璃表面层的透光率-波长图，其中1为超双疏增透玻璃表面层，2为玻璃基底。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的范围不限于此。

实施例1 

本实施例为超双疏增透玻璃表面层的制备。玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀30min，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；NH₄F/HF刻蚀液由1mL氢氟酸、10mL水和5g氟化铵混合而成；将0.2g亲水性气相二氧化硅（Y150），分散于10mL己烷与5mL甲醇的混合溶剂中，超声30min，然后滴加1mL浓盐酸（37wt%），超声90min，得纳米二氧化硅旋涂液；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置2min，进行下一次旋涂，共旋涂3次，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热1h，得双级粗糙结构玻璃表面层；取1g的 2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯溶于100g的1wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为1wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得二氧化硅双级粗糙结构涂层膜上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。所得玻璃表面层的水接触角（5μL）为：165°，滚动角为5°；葵花籽油接触角（5μL）为：152°，滚动角为：8°；平均透光率大于92%，峰值透光率为98.7%。

实施例2

本实施例为超双疏增透玻璃表面层的制备。玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀40min，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；NH₄F/HF刻蚀液由1.3mL氢氟酸、10mL水和5.5g氟化铵混合而成；将0.3g亲水性气相二氧化硅（Y200），分散于10mL己烷与15mL乙醇的混合溶剂中，超声40min，然后滴加1mL浓盐酸（37wt%），超声100min，得纳米二氧化硅旋涂液；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置3min，进行下一次旋涂，共旋涂4次，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热1.5h，得双级粗糙结构玻璃表面层；取2g的甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯溶于100g的2wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为2wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得二氧化硅双级粗糙结构涂层膜上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。所得玻璃表面层的水接触角（5μL）为：163°，滚动角为6°；葵花籽油接触角（5μL）为：151°，滚动角为：9°；平均透光率大于92%，峰值透光率为97.3%。

实施例3

本实施例为超双疏增透玻璃表面层的制备。玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀50min，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；NH₄F/HF刻蚀液由1.5mL氢氟酸、10mL水和6g氟化铵混合而成；将0.4g亲水性气相二氧化硅（Y300），分散于10mL己烷与15mL甲醇的混合溶剂中，超声50min，然后滴加1mL浓盐酸（37wt%），超声110min，得纳米二氧化硅旋涂液；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置4min，进行下一次旋涂，共旋涂5次，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热2h，得双级粗糙结构玻璃表面层；取1g甲基丙烯酸-2,2,3,4,4,4-六氟丁酯溶于100g的4wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为1wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得二氧化硅双级粗糙结构涂层膜上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。所得玻璃表面层的水接触角（5μL）为：164°，滚动角为2°；葵花籽油接触角（5μL）为：153°，滚动角为：6°；平均透光率大于92%，峰值透光率为98.1%。

实施例4

本实施例为超双疏增透玻璃表面层的制备。玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀60min，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；NH₄F/HF刻蚀液由1mL氢氟酸、10mL水和6g氟化铵混合而成；将0.5g亲水性气相二氧化硅（Y380），分散于10mL己烷与20mL乙醇的混合溶剂中，超声60min，然后滴加1mL浓盐酸（37wt%），超声120min，得纳米二氧化硅旋涂液；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置5min，进行下一次旋涂，共旋涂5次，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热2h，得双级粗糙结构玻璃表面层；取2g的2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯溶于5wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为2wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得二氧化硅双级粗糙结构涂层膜上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。所得玻璃表面层的水接触角（5μL）为：166°，滚动角为5°；葵花籽油接触角（5μL）为：151°，滚动角为：7°；平均透光率大于92%，峰值透光率为97.9%。

实施例5

本实施例为超双疏增透玻璃表面层的制备。玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀30min，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；NH₄F/HF刻蚀液由1.3mL氢氟酸、10mL水和5.5g氟化铵混合而成；将0.2g亲水性气相二氧化硅（Y150），分散于10mL己烷与15mL甲醇的混合溶剂中，超声30min，然后滴加1mL浓盐酸（37wt%），超声90min，得纳米二氧化硅旋涂液；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置4min，进行下一次旋涂，共旋涂4次，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热1.5h，得双级粗糙结构玻璃表面层；取2g的2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯溶于5wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为2wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得二氧化硅双级粗糙结构涂层膜上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。所得玻璃表面层的水接触角（5μL）为：164°，滚动角为7°；葵花籽油接触角（5μL）为：152°，滚动角为：9°；平均透光率大于92%，峰值透光率为98.9%。所得超双疏增透玻璃表面层的水接触角（1）和葵花籽油接触角（2），见图1；所得超双疏增透玻璃表面层的透光率-波长图，其中1为超双疏增透玻璃表面层，2为玻璃基底，见图2。

 

实施例6

本实施例为超双疏增透玻璃表面层的制备。玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀50min，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；NH₄F/HF刻蚀液由1.5mL氢氟酸、10mL水和6g氟化铵混合而成；将0.2g亲水性气相二氧化硅（Y380），分散于10mL己烷与5mL正丁醇的混合溶剂中，超声60min，然后滴加1mL浓盐酸（37wt%），超声110min，得纳米二氧化硅旋涂液；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置5min，进行下一次旋涂，共旋涂5次，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热1h，得双级粗糙结构玻璃表面层；取1g的 2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯溶于100g的1wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为1wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得二氧化硅双级粗糙结构涂层膜上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。所得玻璃表面层的水接触角（5μL）为：165°，滚动角为8°；葵花籽油接触角（5μL）为：151°，滚动角为：10°；平均透光率大于92%，峰值透光率为97.6%。

实施例7

本实施例为超双疏增透玻璃表面层的耐候性测试，包括抗高温抗水汽能力测试和抗油污染能力测试。抗高温抗水汽能力测试：将所得超双疏增透玻璃表面层置于湿度90%、温度50℃的人工气候箱中，一周后测试该玻璃表面层的葵花籽油和水接触角的变化以表征其抗高温抗水汽的能力，测试液均为5μL；抗油污染能力测试：将一定量的二甲基硅油置于10～3Pa的真空系统中，硅油在真空中挥发形成含油气氛，然后将所得超双疏增透玻璃表面层置于该系统中，一周后测试该玻璃表面层的葵花籽油和水接触角的变化以表征其抗油污染能力，测试液均为5μL，结果见表1。

 表1

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种超双疏增透玻璃表面层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）亚微米级粗糙玻璃表面的制备：玻璃基底分别在去离子水和无水乙醇中超声20min，得清洁玻璃基底；将清洁玻璃基底在NH₄F/HF刻蚀液中刻蚀30～60min，NH₄F/HF刻蚀液的配比：氢氟酸(mL):水(mL):氟化铵（g）为0.1～0.15:1:0.5～0.6，水洗，室温鼓风干燥，得亚微米级粗糙玻璃表面；

（2）组装二氧化硅纳米涂层：纳米二氧化硅，分散于己烷与醇的混合溶剂中，超声30～60min，然后滴加浓盐酸（37wt%），超声90～120min，得纳米二氧化硅旋涂液；其中各物质加入的比例为：醇：己烷：浓盐酸体积比为5～20:10:1；纳米二氧化硅（g）: 浓盐酸(mL)为0.2～0.5:1；将所得纳米二氧化硅旋涂液按照每次0.3mL/mm²的涂布量在亚微米级粗糙玻璃表面上旋涂成膜，3000rpm，5s，室温放置2～5min，进行下一次旋涂，共旋涂3～5次，最后将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥30min后，在100℃加热1～2h，得双级粗糙结构玻璃表面层；

（3）氟化后处理：小分子含氟化合物溶于1～5wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液中，制成氟化物浓度为1～2wt%的喷涂液，用低压喷雾器在所得双级粗糙结构玻璃表面层上均匀喷涂一层，自然干燥，即得所述超双疏增透玻璃表面层。

2.根据权利要求1所述的一种超双疏增透玻璃表面层的制备方法，其特征在于所述小分子含氟化合物优选为：2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯、甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯或甲基丙烯酸-2,2,3,4,4,4-六氟丁酯。

3.根据权利要求1所述的一种超双疏增透玻璃表面层的制备方法，其特征在于所述醇优选为：甲醇、乙醇或正丁醇。

4.根据权利要求1所述的一种超双疏增透玻璃表面层的制备方法，其特征在于所述纳米二氧化硅优选为：亲水性气相二氧化硅。

5.根据权利要求4所述的亲水性气相二氧化硅，其特征在于所述的亲水性气相二氧化硅优选为：国产亲水性气相二氧化硅：Y150、Y200、Y300或Y380。

6.一种根据权利要求1～5 任一项所述制备方法制备得到的超双疏增透玻璃表面层。