CN105199530B - 一种超亲润性聚丙烯酰胺涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超亲润性聚丙烯酰胺涂层，该涂层表面具有纳米微孔结构，对水的接触角<5°，对油的接触角<5°。所述涂层对各种液体均具有超级亲和性和亲润性，被称为超级全亲(supermniphilic)表面，该表面具有良好的稳定性和长期保持性，同时还具有良好的机械物理性，包括干牢度和湿牢度。本发明还公开了该涂层的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及功能表面材料。更具体地，涉及一种超亲润性聚酰胺涂层材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着高新技术的进展，具有特殊亲润性的功能表面，展示了重要的应用价值，特别是自然界中一些生物表面的特殊界面超亲润性激起人们的巨大兴趣。按照通常规定，亲润性表面要求液滴在材料表面上的接触角<90°，而超级亲润性表面要求液滴在物体表面上的接触角<5°。目前，人们制备的各种超亲润材料已涉及防雾、抗污、自清洁和生物医药等方面，展现了广阔的应用前景。
表面亲润性是固体材料非常重要的性质，它和物体表面能和表面几何微结构相关。依据Wenzel’s方程(Robert N.Wenzel,Industrial and engineering chemistry，1936,28,988-944)，决定物体表面接触角的因素有：物体表面的本征接触角和粗糙度，其中物体表面的本征接触角由物体表面的化学组成来决定；材料表面的粗糙度主要包括表面的结构形态和多孔性。目前，获得超级亲润性的方法主要分为两种(黄伟欣，广东化工2008,35(10)，46-49)，一种是在物质表面化学修饰提高表面能，例如，光化学方法，其中，TiO2和ZnO等半导体膜材料占有重要地位，它们在UV光照下，电子激发生成超亲水表面，但是寿命很短，没有持续的光照很快失活，性能减退，另外，利用高能束，例如γ-射线，电子束，等离子体照射聚合物表面，使之氧化产生亲水性化学结构而获得超亲水性，但是，这种活性态很不稳定，易被环境污染而失活(Wang R.et al.Phys.Chem.B,1999,103:2188—2194)；另一种是在高表面能材料表面构建粗糙结构,其中，包括模板法，溶胶-凝胶，光刻和LBL技术等方法，制造过程比较复杂(M.Machida.et al,J.Mater.Sci(1999),342569-2574),但以上这些缺点，阻碍了它们的大规模生产和应用，所以目前需要发展既性能稳定，持久耐用，又制造简便，易于大规模生产的超亲润性表面涂层材料。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种超亲润性聚丙烯酰胺涂层，该涂层对各种液体均具有超级亲和性和亲润性，被称为超级全亲(supermniphilic)表面，该表面具有良好的稳定性和长期保持性，同时还具有良好的机械物理性，包括干牢度和湿牢度。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种制备超亲润性聚丙烯酰胺涂层的方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种超亲润性聚丙烯酰胺涂层，该聚丙烯酰胺涂层表面具有纳米微孔结构，其对水的接触角<5°，对油的接触角<5°。
为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下技术方案：
1)聚丙烯酰胺共聚物预涂液的制备；
2)将预涂液进行涂装、交联、固化，形成固化薄膜；
3)对固化膜进行溶胀处理，干燥后制成具有超级亲润性的聚丙烯酰胺涂层。
优选地，步骤1)中所述预涂液的制备为将聚丙烯酰胺共聚物溶于水中配制成预涂液，其中聚丙烯酰胺共聚物的质量分数为6％～35％；所述聚丙烯酰胺共聚物选自具有相互静电作用的聚丙烯酰胺共聚物或具有氢键作用的聚丙烯酰胺共聚物。
优选地，所述具有相互静电作用的聚丙烯酰胺共聚物选自阴离子聚丙烯酰胺共聚物和阳离子聚丙烯酰胺共聚物，所述阴离子聚丙烯酰胺共聚物为丙烯酰胺单体与含有羧基基团的单体聚合形成的共聚物，所述阳离子聚丙烯酰胺共聚物为丙烯酰胺单体与含有季铵盐基团的单体聚合形成的共聚物；所述具有氢键作用的聚酰胺共聚物选自丙烯酰胺与含羧基基团的单体共聚形成的共聚物。
优选地，所述含有羧基基团的单体选自丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、3-丙烯酰胺基-3-甲基丁酸；所述含有季铵盐基团的单体选自丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基苄基氯化铵、丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵或二烯丙基二甲基氯化铵。
优选地，所述交联剂选自无机交联剂或有机交联剂，优选地，所述交联剂为有机交联剂。
优选地，所述有机交联剂选自戊二醛，所述戊二醛的添加量为共聚物质量的0.5-20wt％。
优选地，步骤2)所述涂装方式选自旋转涂覆、浸涂、辊涂或喷涂。
优选地，步骤3)所述溶胀处理指将固化膜浸泡在NaCl水溶液中，所述NaCl水溶液的浓度为0.2-1.6M。
优选地，步骤3)所述制得的超亲润性聚酰胺涂层对水的接触角<5°，对油的接触角<5°。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的超亲润性聚酰胺涂层，具有良好的稳定性和长期保持性，同时，具有良好的机械物理性，包括干牢度和湿牢度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1A示出实施例1的材料表面的微观结构的AFM图；
图1B示出实施例1的水在涂层表面的接触角；
图1C示出实施例1的油在涂层表面的接触角；
图2A示出实施例2的材料表面的微观结构的AFM图；
图2B示出实施例2的水在涂层表面的接触角；
图2C示出实施例2的油在涂层表面的接触角；
图3A示出实施例7的材料表面的微观结构的AFM图；
图3B示出实施例7的水在涂层表面的接触角；
图3C示出实施例7的油在涂层表面的接触角；
图4示出实施例14的抗污效果图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物，将上述无规共聚物配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为6％，溶剂为水，加入质量为共聚物质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2，配制成涂膜液。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
图1A为本实施例的材料表面的微观结构的AFM图；可以看到其表面具有纳米微孔结构。
图1B为本实施例的水在涂层表面的接触角，其中水的接触角4.8°，说明该涂层具有良好的水亲和力。
图1C为本实施例的油在涂层表面的接触角。其中油的接触角3.0°，说明该涂层具有良好的油亲和力。
实施例2
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物，将上述无规共聚物配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为6％，溶剂为水，加入质量为共聚物质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈6。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
图2A为本实施例的材料表面的微观结构的AFM图；从图上可以看到该涂层表面均匀分布着纳米微孔结构。
图2B为本实施例的水在涂层表面的接触角；其中水的接触角4.5°，说明该涂层具有良好的水亲和力。
图2C为本实施例的油在涂层表面的接触角。其中油的接触角2.7°，说明该涂层具有良好的油亲和力。
实施例3
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-甲基丙烯酸共聚物，将上述无规共聚物配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为6％，溶剂为水。加入质量为共聚物质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈6。
通过浸涂的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例4
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-衣康酸共聚物，将上述无规共聚物配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为35％，溶剂为水。加入质量为共聚物质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过辊涂的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例5
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-3-丙烯酰氨基-3-甲基丁酸共聚物，将上述无规共聚物配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为15％，溶剂为水。加入质量为共聚物质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过喷涂的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例6
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物，将上述无规共聚物配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为6％，溶剂为水。加入质量为共聚物质量20％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在1.6M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例7
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物和丙烯酰胺-二烯丙基二甲基氯化铵共聚物，将上述两种共聚物以质量比2：1混合，配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为15％，溶剂为水。质量为共聚物总质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
图3A为本实施例的材料表面的微观结构的AFM图；从图上可以看到该涂层表面均匀分布着纳米微孔结构。
图3B为本实施例的水在涂层表面的接触角；其中水的接触角5.0°，说明该涂层具有良好的水亲和力。
图3C为本实施例的油在涂层表面的接触角。其中油的接触角3.7°，说明该涂层具有良好的油亲和力。
实施例8
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物和丙烯酰胺-二烯丙基二甲基氯化铵共聚物，将上述两种共聚物以质量比2：1混合，配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为6％，溶剂为水。加入质量为共聚物总质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈6。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例9
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物和丙烯酰胺-丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵共聚物，将上述两种共聚物以质量比1：1混合，配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为6％，溶剂为水。加入质量为共聚物总质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例10
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物和丙烯酰胺-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵共聚物，将上述两种共聚物以质量比4：1混合，配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为6％，溶剂为水。加入质量为共聚物总质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例11
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物和丙烯酰胺-甲基丙烯酰氧乙基三甲基苄基氯化铵共聚物，将上述两种共聚物以质量比2：1混合，配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为15％，溶剂为水。加入质量为共聚物总质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例12
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物和丙烯酰胺-丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵共聚物，将上述两种共聚物以质量比2：1混合，配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为35％，溶剂为水。加入质量为共聚物总质量0.5％的戊二醛交联剂，调节涂膜液PH≈2。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过加热固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例13
通过自由基聚合物的方法合成具有自缔合功能作用的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物的低聚物和丙烯酰胺-二烯丙基二甲基氯化铵共聚物的低聚物，将上述两种共聚物以质量比2：1混合，配制成涂膜液，其中，涂膜液中，共聚物的质量分数为35％，溶剂为水。加入光引发剂，调节涂膜液PH≈2。
通过旋转涂覆的方法制备成薄膜，经过UV固化制备成薄膜。
然后，将上述聚合物膜浸泡在0.2M的盐溶液中，进行后加工溶胀处理，干燥后制得目标产品。
实施例14
超亲润涂层具有良好的亲水性，当周围的水汽遇到该涂层时，就会在其表面形成稳定的水层，所以该涂层可以应用到抗雾方面。本实验将实例7中的超亲润性涂层，放置在带有水蒸气的水杯上，测试器其防雾效果。其结果如图4所示，左边未涂覆涂层的玻璃上已经有雾形成，字迹变得模糊。右边涂覆涂层的玻璃上仍然具有良好的透光性，能清楚的看到字体，展现了良好的防雾性能。
实施例15
将实例6中的薄膜，采用标准GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》来检测涂层的干牢度。基本操作方法如下：选择刀刃间距为1-2mm刀片的划格线，划线的间距依据底材的不同而化成间距相等的格子，切割完毕后，用软毛刷沿着切割图形每一条对角线轻扫，然后施加胶粘带，5min后，将其撕离，观察漆膜脱落的情况。发现该薄膜涂层切割边缘完全平滑，无一格脱落，具有很好的干牢度，
实施例16
将实例6中的薄膜，分别在一定温度下，泡在水溶液中一定时间，观察涂层的脱落情况。发现浸泡24h后，薄膜边缘仍然平滑，无一格脱落，具有很好的湿牢度。
实施例17
将实例2中的薄膜，放在空气中3天测试水和油的接触角，测试结果为，水的接触角为5°，油的接触角3°。表面该涂层具有良好的稳定性和保存性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：所述聚丙烯酰胺涂层表面具有纳米微孔结构，其对水的接触角<5°，对油的接触角<5°；
所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层的制备方法包括如下步骤：
1)聚丙烯酰胺共聚物预涂液的制备；
2)将预涂液进行涂装、交联、固化，形成固化薄膜；
3)对固化膜进行溶胀处理，干燥后制成具有超级亲润性的聚丙烯酰胺涂层。
2.根据权利要求1所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：步骤1)中所述预涂液的制备为将聚丙烯酰胺共聚物溶于水中配制成预涂液，其中聚丙烯酰胺共聚物的质量分数为6％～35％；所述聚丙烯酰胺共聚物选自具有相互静电作用的聚丙烯酰胺共聚物或具有氢键作用的聚丙烯酰胺共聚物。
3.根据权利要求2所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：所述具有相互静电作用的聚丙烯酰胺共聚物选自阴离子聚丙烯酰胺共聚物和阳离子聚丙烯酰胺共聚物，所述阴离子聚丙烯酰胺共聚物为丙烯酰胺与含有羧酸官能团的单体聚合形成的共聚物，所述阳离子聚丙烯酰胺共聚物为丙烯酰胺与含有季铵盐基团的单体聚合形成的共聚物；所述具有氢键作用的聚丙烯酰胺共聚物选自丙烯酰胺与含有羧酸官能团的单体形成的共聚物。
4.根据权利要求3所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：所述含有羧酸官能团的单体选自丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、3-丙烯酰胺基-3-甲基丁酸；所述含有季铵盐基团的单体选自丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基苄基氯化铵、丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵或二烯丙基二甲基氯化铵。
5.根据权利要求2所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：所述交联剂选自无机交联剂或有机交联剂。
6.根据权利要求5所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：所述交联剂为有机交联剂。
7.根据权利要求5所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：所述有机交联剂选自戊二醛，所述戊二醛的添加量为共聚物质量的0.5-20wt％。
8.根据权利要求1所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：步骤2)所述涂装方式选自旋转涂覆、浸涂、刮涂、辊涂或喷涂。
9.根据权利要求1所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：步骤3)所述溶胀处理指将固化膜浸泡在NaCl水溶液中，所述NaCl水溶液的浓度为0.2-1.6M。
10.根据权利要求4所述的超亲润性聚丙烯酰胺涂层，其特征在于：步骤3)所述制得的超级亲润性的聚酰胺涂层的对水接触角<5°，对油的接触角<5°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |