CN104046152A - 超疏水涂料、超疏水涂层及该超疏水涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超疏水涂层的制备方法，包括，步骤1：按照体积份数比，取50~80份质量分数为2%～15%的疏水纳米颗粒分散液、20~50份质量分数为1%～10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液、0~30份溶剂混合，并超声分散，从而获得一混合液；步骤2：将所述混合液形成于一基底表面及基底内部微结构中；步骤3：将步骤2中的基底烘干，然后升温至160~230℃烘烤使所述聚苯乙烯纳米颗粒熔化，取出自然晾干。本发明还涉及一种超疏水涂料及超疏水涂层。

Description

超疏水涂料、超疏水涂层及该超疏水涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超疏水涂料、由该超疏水涂料形成的超疏水涂层及该超疏水涂层的制备方法。

背景技术

润湿性是固体表面的重要性质，一般用液滴与固体表面的接触角进行表征。当水滴与固体表面的接触角大于150°且滚动角小于 10°时，该固体表面被称为超疏水表面。在自然界中存在着许多超疏水表面，典型的如以荷叶为代表的多种植物叶片表面、水黾腿、水鸟的羽毛以及蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀等。超疏水材料具有许多独特的表面性能，如自清洁、防腐蚀、生物相容性、超疏水性等，因而其在生产和生活中有着广阔的应用前景，如玻璃表面的防雾、自清洁建筑材料、防止微生物在水下建筑和航行体的吸附、纺织品的防污以及微流体运输等。

近年来，超疏水表面引起了科学家的广泛关注，人工制造超疏水表面的新方法不断出现。目前的制备方法主要分为两类：一是用低表面能材料修饰具有微纳米结构的表面；二是在低表面能材料表面构建微纳米结构。具体包括湿化学、电化学刻蚀、电化学沉积、气相沉积、静电纺丝等。以上方法虽然可以制备超疏水表面，但是大多方法的过程较为复杂，许多方法都需要专门的设备，能耗和成本相对较高，都不利于工业生产。另外，现有方法制备的超疏水表面普遍具有不够稳定，易老化，易失效，对于对恶劣工作环境（强酸强碱、高温、紫外线）的耐受能力更为不足等缺点。

发明内容

综上所述，有必要提供一种操作简单，成本低，易于产业化，而且超疏水性能稳定、耐酸碱、耐高温、耐紫外线的超疏水涂料、超疏水涂层及其制备方法。

一种超疏水涂料，由质量分数为2%～15%的疏水纳米颗粒分散液、质量分数为1%～10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液以及溶剂按照体积份数比50~80：20~50：0~30混合而成。

一种超疏水涂层，所述超疏水涂层为一多孔纳米结构，该超疏水涂层包括一聚苯乙烯层以及一疏水纳米颗粒层，所述聚苯乙烯层以及所述疏水纳米颗粒层层叠设置，且所述疏水纳米颗粒层中的疏水纳米颗粒部分包埋于所述聚苯乙烯层中。

一种超疏水涂层的制备方法包括，步骤1：按照体积份数比，取50~80份质量分数为2%～15%的疏水纳米颗粒分散液、20~50份质量分数为1%～10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液、0~30份溶剂混合，并超声分散，从而获得一混合液；步骤2：将所述混合液形成于一基底表面及基底内部微结构中；以及步骤3：将步骤2中的基底烘干，然后升温至160~230℃烘烤使所述聚苯乙烯纳米颗粒熔化，取出自然晾干。

本发明提供的超疏水涂层的制备方法具有以下优点，其一、采用胶体纳米颗粒沉积方法并通过烘烤的方法使苯乙烯纳米颗粒熔化，从而形成多孔的纳米结构表面并可以使所述疏水纳米颗粒良好的固定于所述基底表面，该方法简单，无须专用设备，用料成本较低，能耗低，无污染；其二、该方法具有普适性，可用于多种纤维或多孔材料的处理，使其都具有超疏水特性。

本发明提供的超疏水涂层具有以下优点：其一、所制备的超疏水涂层的超疏水性能稳定，不易老化失效，且在强酸强碱、高温、强紫外线等恶劣工况下正常工作；其二、所制备的超疏水涂层具有较好的重复利用能力和使用寿命。

另外，本发明提供的超疏水涂料还具有原料来源简单、成本低且易于配置等特点。

附图说明

图1本发明实施例提供的超疏水涂层的制备方法的流程图。

图2本发明实施例提供的超疏水涂层的结构示意图。

图3本发明实施例3提供的超疏水滤纸的扫描电镜照片图。

图4为本发明实施例3提供的超疏水滤纸的的X射线光电子能谱分析图。

主要元件符号说明

超疏水涂层	100
		聚苯乙烯层	10
疏水纳米颗粒层	20
		基底	30

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参照图1，本发明实施例提供一种超疏水涂层的制备方法，其包括以下步骤:

步骤1：按照体积份数比，取50~80份质量分数为2%～15%的疏水纳米颗粒分散液、20~50份质量分数为1%～10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液、0~30份溶剂混合，并超声分散，从而获得一混合液；

步骤2：将所述混合液形成于一基底表面及基底内部微结构中；

步骤3：将步骤2中的基底烘干，然后升温至160~230℃烘烤使所述聚苯乙烯纳米颗粒熔化，取出自然晾干。

在步骤(1)中，所述疏水纳米颗粒分散液可以通过将所述疏水纳米颗粒分散于一溶剂中获得，也可以通过悬浮聚合、乳液聚合等聚合法获得。所述疏水纳米颗粒选自聚四氟乙烯颗粒、聚偏氟乙烯颗粒、聚全氟乙丙烯颗粒、疏水二氧化硅颗粒或及其混合物。所述疏水纳米颗粒的粒径可以为50 nm ~1000 nm，其可以以球型颗粒、粉体、乳液、浓缩分散液等相态存在。

所述聚苯乙烯纳米颗粒分散液可以通过将所述聚苯乙烯纳米颗粒分散于一溶剂中获得，也可以通过悬浮聚合、乳液聚合等聚合法获得。所述聚苯乙烯纳米颗粒的粒径可以为50 nm ~1000 nm。

所述超声分散的时间不限，只要保证所述疏水纳米颗粒及所述聚苯乙烯纳米颗粒可以实现均匀分散即可。优选地，所述超声分散的时间20～30分钟。

在步骤(2)中，可将所述基底浸没于所述混合液中沉积一段时间，或将所述混合液喷洒或涂抹于所述基底的表面，从而使所述基底表面形成有所述混合液。优选地，将所述基底浸没于所述混合液中20～40分钟，从而使所述混合液中的疏水纳米颗粒和聚苯乙烯纳米颗粒沉积于所述基底的表面及基底内部微结构中。

所述基底可以为纤维或多孔材料，包括：布料、滤纸、滤布、滤袋、滤膜、海绵、金属滤网等。更具体地，所述布料包括棉、麻、丝绸、呢绒、化纤等传统布料以及涤纶、丙纶等无纺布；所述滤纸包括定量滤纸、定性滤纸、印迹级厚滤纸等常见滤纸；所述滤布包括平均孔径小于200微米的棉、麻、丙纶、涤纶、尼龙等滤布；所述滤袋包括聚苯硫醚、聚丙烯、聚酯、聚四氟乙烯等材料的滤袋；所述滤膜包括混合纤维酯、尼龙、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、玻璃纤维材料的微孔滤膜等；所述金属滤网包括平均孔径小于200微米的不锈钢网、泡沫镍等；所述海绵包括纤维海绵，聚乙烯醇、聚氨酯发泡海绵等。

在步骤(3)中，所述烘干的温度和时间不限。优选地，所述烘干温度为60℃～80℃，所述烘干时间为20分钟～40分钟。所述烘干的目的是为了使溶剂挥发。所述烘烤的目的是为了使所述苯乙烯纳米颗粒熔化，并起到将所述疏水纳米颗粒粘结于所述基底表面的作用。所述烘烤的时间不限，只要能使所述疏水纳米颗粒熔化即可。优选地，所述烘烤的时间为10分钟以上。可以理解，在烘烤过程中，所述疏水纳米颗粒并不会熔化或反应，还是保持颗粒状。

本发明提供的一种超疏水涂层的制备方法具有以下优点：其一、采用胶体纳米颗粒沉积方法并通过烘烤的方法使聚苯乙烯纳米颗粒熔化，从而形成多孔的纳米结构表面并可以使所述疏水纳米颗粒良好的固定于所述基底表面，该方法简单，无须专用设备，用料成本较低，能耗低，无污染；其二、该方法具有普适性，可用于处理多种纤维或多孔材料，包括各类布料、滤料、海绵、泡沫金属等，处理后的材料都具有超疏水特性。

本发明还涉及一种由上述制备方法获得的一超疏水涂层100，所述超疏水涂层100为一多孔纳米结构。所述多孔纳米结构中孔的直径与所述聚苯乙烯纳米颗粒的粒径相当，为50 nm ~1000 nm。请参照图2，所述超疏水涂层100包括一聚苯乙烯层10以及一疏水纳米颗粒层20。所述聚苯乙烯层10以及所述疏水纳米颗粒层20层叠设置，且所述疏水纳米颗粒层20中的疏水纳米颗粒部分包埋于所述聚苯乙烯层10中。所述聚苯乙烯层10的厚度小于500nm。所述疏水纳米颗粒层20的厚度为100～5000nm。所述疏水纳米颗粒选自聚四氟乙烯颗粒、聚偏氟乙烯颗粒、聚全氟乙丙烯颗粒、疏水二氧化硅颗粒或及其混合物。

所述超疏水涂层100可以设置于一基底30的表面，或基底30内部微结构的表面，从而使所述基底30的表面具有超疏水性能。所述超疏水涂层100设置于所述基底30的表面时，所述疏水纳米颗粒层20通过所述聚苯乙烯层10粘结于所述基底30的表面。

所述基底30可以为纤维或多孔材料，其包括：布料、滤纸、滤布、滤袋、滤膜、海绵、金属滤网等。更具体地，所述布料包括棉、麻、丝绸、呢绒、化纤等传统布料以及涤纶、丙纶等无纺布；所述滤纸包括定量滤纸、定性滤纸、印迹级厚滤纸等常见滤纸；所述滤布包括平均孔径小于200微米的棉、麻、丙纶、涤纶、尼龙等滤布；所述滤袋包括聚苯硫醚、聚丙烯、聚酯、聚四氟乙烯等材料的滤袋；所述滤膜包括混合纤维酯、尼龙、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、玻璃纤维材料的微孔滤膜等；所述金属滤网包括平均孔径小于200微米的不锈钢网、泡沫镍等；所述海绵包括纤维海绵，聚乙烯醇、聚氨酯发泡海绵等。

本发明提供的一种超疏水涂层具有以下优点：其一、所制备的超疏水涂层的超疏水性能稳定，不易老化失效，且在强酸强碱、高温、强紫外线等恶劣工况下正常工作；其二、所制备的超疏水涂层具有较好的重复利用能力和使用寿命。另外，所述超疏水涂层可用于制作各种超疏水功能面料、油水分离材料、超疏水不沾滤膜、滤袋等。

本发明还涉及一种超疏水涂料，其由质量分数为2%～15%的疏水纳米颗粒分散液、质量分数为1%～10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液以及溶剂按照体积份数比50~80：20~50：0~30混合而成。

实施例1：

取60份（体积份数）质量分数为6%的聚四氟乙烯分散液、20份质量分数为2.5%的聚苯乙烯分散液以及20份的水混合后超声分散获得一混合液，其中，所述聚四氟乙烯的粒径约为220nm，所述聚苯乙烯的粒径约为200nm；采用一高密度棉布（平均孔径小于200微米）为基底，并将其浸没于混合液中，沉积20min；将所述浸没于混合液中的高密度棉布取出，放入70℃的干燥箱烘干30min，最后升温至220℃中烘烤20min，取出自然晾干，得到超疏水棉布。经过测试，所述超疏水棉布对水的接触角大于150°。另外，所述超疏水棉布对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°，从而使该超疏水棉布可以用于油水分离。该超疏水棉布对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。此外，该超疏水棉布还可用于制作自清洁布料、劳保用品等。

实施例2：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一涤纶或丙纶无纺布为基底浸没于混合液中，其中，所述无纺布的平均孔径小于200微米。由此获得超疏水涤纶或丙纶无纺布。经过测试，所述疏水涤纶或丙纶无纺布对水的接触角大于150°。同时，该疏水涤纶或丙纶无纺布对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°，因此，也可用于油水分离。该疏水涤纶或丙纶无纺布对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。

实施例3：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一定性滤纸为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水滤纸。经过测试，所述超疏水滤纸对水的接触角大于150°。同时，该超疏水滤纸对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°，因此，也可用于油水分离。该超疏水滤纸对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。

请参见图3，图3为本实施例中所述超疏水滤纸的扫描电镜照片。从图中可以看出，所述超疏水滤纸的表面为一纳米颗粒多孔膜，其中，所述纳米颗粒为聚四氟乙烯纳米颗粒，而孔为聚苯乙烯颗粒熔化后形成。所述聚苯乙烯颗粒熔化后形成聚苯乙烯薄层，包裹着聚四氟乙烯颗粒的底部，起到粘结所述聚四氟乙烯纳米颗粒的作用。

请参见图4，图4为本实施例3中所述超疏水滤纸的的X射线光电子能谱分析图。从图中可以看出，所述超疏水滤纸的表面主要存在三种元素，分别为氟、碳、氧。

实施例4：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一涤纶滤布为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水涤纶滤布。经过测试，所述超疏水涤纶滤布对水的接触角大于150°。同时，该超疏水涤纶滤布对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°，因此，也可用于油水分离。该超疏水涤纶滤布对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。

实施例5：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一聚苯硫醚滤袋为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水聚苯硫醚滤袋。经过测试，所述超疏水聚苯硫醚滤袋对水的接触角大于150°，且其表面能非常低，具有良好的不粘性，使灰尘不易粘附在滤袋表面，使长时间集聚的灰尘轻易剥落。同时，该超疏水聚苯硫醚滤袋对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°，因此，也可用于油水分离。该超疏水涤纶滤布对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。

实施例6：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一混合纤维酯微孔滤膜为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水混合纤维酯微孔滤膜。经过测试，所述超疏水混合纤维酯微孔滤膜对水的接触角大于150°。同时，该超疏水混合纤维酯微孔滤膜对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°，因此，也可用于油水分离。该超疏水混合纤维酯微孔滤膜对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。

实施例7：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一纤维海绵为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水纤维海绵。经过测试，所述超疏水纤维海绵对水的接触角大于150°。同时，该超疏水纤维海绵对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°。另外，该超疏水纤维海绵可作为吸油材料，从油水混合物中将油吸出，吸油质量可超过自身质量的5倍。

实施例8：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一聚乙烯醇海绵为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水聚乙烯醇海绵。经过测试，所述超疏水聚乙烯醇海绵对水的接触角大于150°。同时，该超疏水聚乙烯醇海绵对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°。另外，该超疏水聚乙烯醇海绵可作为吸油材料，从油水混合物中将油吸出，吸油质量可超过自身质量的6倍。

实施例9：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一泡沫镍为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水泡沫镍。经过测试，所述超疏水泡沫镍对水的接触角大于150°。同时，该超疏水泡沫镍对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°。该超疏水泡沫镍对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。

实施例10：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，将一不锈钢网（200目以上）为基底浸没于混合液中。由此获得一超疏水不锈钢网。经过测试，所述超疏水不锈钢网对水的接触角大于150°。同时，该超疏水不锈钢网对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）的接触角为0°。该超疏水不锈钢网对油（正己烷、正十六烷、氯仿、汽油、硅油等）与水的混合物的分离效率均超过99%。

实施例 11

取60份（体积份数）质量分数为5%的疏水二氧化硅分散液、20份质量分数为2.5%的聚苯乙烯分散液以及20份的水混合后超声分散获得一混合液，其中，所述疏水二氧化硅的粒径约为500nm，所述聚苯乙烯的粒径约为200nm；采用一高密度棉布（平均孔径小于200微米）为基底，并将其浸没于混合液中，沉积20min；将所述浸没于混合液中的高密度棉布取出，放入70℃的干燥箱烘干30min，最后升温至220℃中烘烤20min，取出自然晾干，得到超疏水棉布。经过测试，所述超疏水棉布对水的接触角大于150°。该超疏水棉布还可用于制作自清洁布料、劳保用品等。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超疏水涂料，其特征在于，其由质量分数为2%～15%的疏水纳米颗粒分散液、质量分数为1%～10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液以及溶剂按照体积份数比50~80：20~50：0~30混合而成。

2.如权利要求1所述的超疏水涂料，其特征在于，所述疏水纳米颗粒分散液中的疏水纳米颗粒选自聚四氟乙烯颗粒、聚偏氟乙烯颗粒、聚全氟乙丙烯颗粒、疏水二氧化硅颗粒及其任意组合的混合物。

3.如权利要求1所述的超疏水涂料，其特征在于，所述疏水纳米颗粒分散液中的疏水纳米颗粒的粒径为50 nm ~1000 nm，且所述聚苯乙烯纳米颗粒分散液中的聚苯乙烯纳米颗粒的粒径为50 nm ~1000 nm。

4.一种超疏水涂层，所述超疏水涂层为一多孔纳米结构，其特征在于，该超疏水涂层包括一聚苯乙烯层以及一疏水纳米颗粒层，所述聚苯乙烯层以及所述疏水纳米颗粒层层叠设置，且所述疏水纳米颗粒层中的疏水纳米颗粒部分包埋于所述聚苯乙烯层中。

5.如权利要求4所述的超疏水涂层，其特征在于，所述聚苯乙烯层的厚度小于500nm，所述疏水纳米颗粒层的厚度为100～5000nm。

6.如权利要求4所述的超疏水涂层，其特征在于，所述疏水纳米颗粒层中疏水纳米颗粒的粒径为50nm~1000nm，所述多孔纳米结构中孔的直径为50 nm ~1000 nm。

7.一种超疏水涂层的制备方法，其包括以下步骤:

步骤1：按照体积份数比，取50~80份质量分数为2%～15%的疏水纳米颗粒分散液、20~50份质量分数为1%～10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液、0~30份溶剂混合，并超声分散，从而获得一混合液；

步骤2：将所述混合液形成于一基底表面及基底内部微结构中；以及

步骤3：将步骤2中的基底烘干，然后升温至160~230℃烘烤使所述聚苯乙烯纳米颗粒熔化，取出自然晾干。

8.如权利要求7所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述疏水纳米颗粒分散液中的疏水纳米颗粒选自聚四氟乙烯颗粒、聚偏氟乙烯颗粒、聚全氟乙丙烯颗粒、疏水二氧化硅颗粒或及其混合物。

9.如权利要求7所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述疏水纳米颗粒分散液中的疏水纳米颗粒的粒径为50 nm ~1000 nm，且所述聚苯乙烯纳米颗粒分散液中的聚苯乙烯纳米颗粒的粒径为50 nm ~1000 nm。

10.如权利要求7所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述基底选自布料、滤纸、滤布、滤袋、滤膜、海绵以及金属滤网。