CN105238246A - 环保型超疏水复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环保型超疏水复合材料,其由以下组分按以下重量份数比配制而成:硅酸乙酯90-100份、硅烷偶联剂0.225-2.5份、疏水剂0.225-1.25份、中和剂0.225-2.5份及聚氨酯-丙烯酸复合乳液11.25-50份。本发明的优点:采用TEOS制备疏水改性二氧化硅溶胶,原料廉价易得,合成步骤简便,不需要苛刻的操作条件,为今后的工业化奠定基础;超疏水复合材料采用聚氨酯-丙烯酸酯乳液为成膜剂,提高了超疏水复合材料的附着力,改善掉粉现象;超疏水复合材料以水为介质,无毒、无害更加环保;超疏水复合材料因较低的表明能,污物较难在表面沉积,提高建筑涂料的抗污性自清洁的功能。
Description
技术领域
本发明涉及外墙建筑涂料,具体涉及一种环保型超疏水复合材料以及制备方法。
背景技术
据统计,我国有将近50%的城市出现中度污染,这些污染包括工业废气、汽车尾气、雾霾等大大影响了建筑外墙的装饰性以及保护性,而如何提高外墙的耐沾污自清洁是摆在涂料从业者面前的一大难题。目前自清洁的途径有两种:光催化超亲水涂层和超疏水涂层。在超疏水涂层表层,表面与水的接触角大于150°,滑动角低于5°,水滴易在表面滑落带走污染,从而达到自清洁的功效,这种自清洁的功能也成为“荷叶效应”。
影响超疏水的静态接触角的因素主要有两个:表面能和界面几何结构。超疏水的制备通过以下两种途径:(1)在微纳米结构表面修饰低表面能物质;(2)在具有低表面能的表层构造微纳米结构。这两者缺一不可。许多方法如多方法如溶胶-凝胶法、物理/化学气相沉积法、模板法、自组装法、相分离法、电化学沉积法、静电纺织法、氟类物质改性以及粒子填充法,在这众多方法中,凝胶-溶胶法由于原料易得,操作步骤简单,不需要昂贵的设备而被广泛使用。
本发明采用法制备单分散合成粒径为100-200nm的SiO2颗粒,采用硅烷偶联剂进行团聚,形成微纳米结构,之后用疏水剂进行疏水改性,再与自制的聚氨酯-丙烯酸酯共混,即可制备超疏水复合材料。
发明内容
本发明提供一种环保型超疏水复合涂层以及制备方法,它解决了外墙的耐沾污自清洁性较差的技术问题,本发明的超疏水复合涂层耐沾污自清洁性良好、原料易得,制备步骤简便,具有较强的应用与工业化前景。
本发明的技术方案如下:
技术方案(一)
一种环保型超疏水复合材料,由疏水改性的二氧化硅溶胶与聚氨酯-丙烯酸复合乳液配制而成。
进一步地,所述的疏水改性的二氧化硅溶胶是按照以下方法制备而成的:
进一步地,所述硅烷偶联剂的浓度为1-10wt.%,所述的硅烷偶联剂为γ―氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷或γ-二乙烯三胺丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种。
进一步地,所述的疏水剂的浓度为1-5wt.%,所述的疏水改性剂为十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷或十二烷基甲基二甲氧基硅烷中的一种。
进一步地,所述的中和剂是草酸。
进一步地,所述的聚氨酯-丙烯酸复合乳液为LSPUA-970、PU-3280或PUA-2011M的一种。
进一步地环保型超疏水复合材料的制备方法如下:
1)制备疏水改性的二氧化硅溶胶:
在室温下,采用法将硅酸乙酯90-100份制备成单分散粒径为100nm-200nm的SiO2溶胶,之后继续搅拌制得SiO2溶胶,搅拌速率是200-400rmp,搅拌时间是3-4h;
接着保持上述转速和温度,在SiO2溶胶中加入硅烷偶联剂0.225-2.5份,之后立刻加入中和剂0.225-2.5份直到PH值为3后,停止加入中和剂;
之后将上述体系的温度升高到60-65℃,保持上述搅拌速率搅拌30-60min,然后加入疏水剂0.225-1.25份,再搅拌30-60min,即得到疏水改性的二氧化硅溶胶;
2)制备超疏水复合材料:
在室温下,将步骤1)制得的疏水改性的二氧化硅溶胶加入到搅拌缸中,转速调为300-400rmp,之后缓慢加入聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液11.25-50份,然后将转速提高到800-1000rmp,搅拌10-20min,终止反应。
所述的法是已知的技术,所以对其具体步骤不做详细介绍。
本发明的原理:本发明采用法制备单分散合成粒径为100-200nm的SiO2颗粒,图1是TEOS水解制备二氧化硅溶胶的机理。采用硅烷偶联剂进行团聚,形成微纳米结构,之后用疏水剂进行疏水改性,再与聚氨酯-丙烯酸酯共混,即可制备超疏水复合材料。这种超疏水复合材料原料易得,制备步骤简便,因此具有较强的应用与工业化前景。
本发明的优点:
(1)采用TEOS制备疏水改性二氧化硅溶胶,原料廉价易得,合成步骤简便,不需要苛刻的操作条件,为今后的工业化奠定基础。
(2)超疏水复合材料采用聚氨酯-丙烯酸酯乳液为成膜剂,提高了超疏水复合材料的附着力,改善掉粉现象。
(3)超疏水复合材料以水为介质,无毒、无害更加环保。
(4)超疏水复合材料因较低的表明能,污物较难在表面沉积,提高建筑涂料的抗污性自清洁的功能。
附图说明
图1是TEOS水解制备二氧化硅溶胶的机理;
图2是最佳实施例的超疏水复合材料的“荷叶”效果;
图3是最佳实施例的经超疏水处理的质感漆膜的耐脏污测试效果。
具体实施方式
实施例1
1、疏水改性的二氧化硅溶胶的制备
在室温下,采用法将硅酸乙酯制备成单分散粒径为100nm的SiO2溶胶,之后继续搅拌制得的SiO2溶胶,搅拌速率是200rmp,搅拌时间是3h;
接着在SiO2溶胶中加入KH-540,之后立刻加入草酸0.225份,测得PH值为3后停止加入草酸;
之后将上述体系的温度升高到60℃,在搅拌速率为200rmp下搅拌30min后,保持上述温度和搅拌速率,加入十二烷基三甲氧基硅烷,再搅拌30min,即可得到疏水改性的二氧化硅溶胶。
2、环保型超疏水复合材料的制备
在室温下,将所述的疏水改性的二氧化硅溶胶加入到搅拌缸中,转速调为300rmp,之后缓慢加入聚氨酯-丙烯酸复合乳液LSPUA-970,然后将转速提高到800rmp,搅拌10min,终止反应。
实验表明:该超疏水涂层对水的接触角为142°,滑动角为10°,7天耐水实验,涂层的对水的接触角为139°,滑动角为15°。
实施案例2
1、疏水改性的二氧化硅溶胶的制备
在室温下,采用法将硅乙酯制备成单分散粒径为120nm的SiO2溶胶,之后继续搅拌制得的SiO2溶胶,搅拌速率是300rmp,搅拌时间是4h;
接着在SiO2溶胶中加入KH-550,之后立刻加入草酸1份,测得PH值为3后停止加入草酸;
之后将上述体系的温度升高到65℃,在搅拌速率为200rmp下搅拌30min后,保持上述温度和搅拌速率,加入十二烷基甲氧二甲基硅烷,再搅拌30min,即可得到疏水改性的二氧化硅溶胶。
2、环保型超疏水复合材料的制备
在室温下,将所述的疏水改性的二氧化硅溶胶加入到搅拌缸中,转速调为300rmp,之后缓慢加入聚氨酯-丙烯酸复合乳液PUA-2011M,然后将转速提高到900rmp,搅拌10min,终止反应。
实验表明:该涂层对水的接触角为148°,滑动角为8°,涂层不掉粉,7天耐水实验,涂层的对水的接触角为144°,滑动角为10°。
实施案例3
1、疏水改性的二氧化硅溶胶的制备
在室温下,采用法将硅酸乙酯制备成单分散粒径为150nm的SiO2溶胶,之后继续搅拌制得的SiO2溶胶,搅拌速率是400rmp,搅拌时间是4h;
接着在SiO2溶胶中加入KH-560,之后立刻加入草酸2.5份,测得PH值为3后停止加入草酸;
之后将上述体系的温度升高到65℃,在搅拌速率为200rmp下搅拌30min后,保持上述温度和搅拌速率,加入十六烷基三甲氧基硅烷,再搅拌30min,即可得到疏水改性的二氧化硅溶胶。
2、环保型超疏水复合材料的制备
在室温下,将所述的疏水改性的二氧化硅溶胶加入到搅拌缸中,转速调为300rmp,之后缓慢加入聚氨酯-丙烯酸复合乳液PU-3280,然后将转速提高到900rmp,搅拌10min,终止反应。
实验表明:该涂层对水的接触角为150°,滑动角为5°,涂层不掉粉,7天耐水实验,涂层的对水的接触角为148°,滑动角为7°。
实施案例4
1、疏水改性的二氧化硅溶胶的制备
在室温下,采用法将硅酸乙酯制备成单分散粒径为200nm的SiO2溶胶,之后继续搅拌制得的SiO2溶胶,搅拌速率是400rmp,搅拌时间是4h;
接着在SiO2溶胶中加入KH-603,之后立刻加入草酸0.5份,测得PH值为3后停止加入草酸;
之后将上述体系的温度升高到65℃,在搅拌速率为200rmp下搅拌30min后,保持上述温度和搅拌速率,加入十八烷基三甲氧基硅烷,再搅拌30min,即可得到疏水改性的二氧化硅溶胶。
2、环保型超疏水复合材料的制备
在室温下,将所述的疏水改性的二氧化硅溶胶加入到搅拌缸中,转速调为300rmp,之后缓慢加入聚氨酯-丙烯酸复合乳液PUA-2011M,,然后将转速提高到900rmp,搅拌10min,终止反应。
该涂层对水的接触角为152°,滑动角为4°,涂层轻微掉粉,7天耐水实验,涂层有轻微鼓泡,涂层的对水的接触角为149°,滑动角为8°。
实施案例5(最佳实施案例)
1、疏水改性的二氧化硅溶胶的制备
在室温下,采用法将硅酸乙酯制备成单分散粒径为160nm的SiO2溶胶,之后继续搅拌制得的SiO2溶胶,搅拌速率是400rmp,搅拌时间是4h;
接着在SiO2溶胶中加入KH-560,之后立刻加入草酸1份,测得PH值为3后停止加入草酸;
之后将上述体系的温度升高到64℃,在搅拌速率为200rmp下搅拌30min后,保持上述温度和搅拌速率,加入十八烷基三甲氧基硅烷,再搅拌30min,即可得到疏水改性的二氧化硅溶胶。
2、环保型超疏水复合材料的制备
在室温下,将所述的疏水改性的二氧化硅溶胶加入到搅拌缸中,转速调为300rmp,之后缓慢加入聚氨酯-丙烯酸复合乳液PU-3280,然后将转速提高到1000rmp,搅拌10min,终止反应。
如图2所示,该涂层对水的接触角为151°,滑动角为4°,具有“荷叶”效果,涂层不掉粉,7天耐水实验,涂层正常,不鼓泡,浸泡后涂层对水的接触角为147°,滑动角为6°。超疏水复合材料在真石、质感漆膜上进行罩面,按GB/T9755-2014进行耐脏污测试,参照标准,粉煤灰与水以1:1的比例配置,在经过超疏水涂层罩面的真石、质感漆膜表面进行测试,粉煤灰浆成水珠状滚落,无法按正常程序测试。后用毛刷在经过罩面的真石、质感漆膜涂刷粉煤灰,之后用水冲洗,如图3所示,可以看出水珠可以轻易将涂层表面的粉煤灰带走,保证涂层漆膜表面光洁如新。因此,通过超疏水涂层罩面的真石、质感漆的实验表明超疏水复合材料具有良好的防污功能。
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释,本发明并不只仅仅局限于上述实施例,凡是依据本发明原理的任何改进或替换,均应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种环保型超疏水复合材料,其特征在于:其由以下组分按以下重量份数比配制而成
2.根据权利要求1所述的环保型超疏水复合材料,其特征在于:所述硅烷偶联剂的浓度为1-10wt.%,所述的硅烷偶联剂为γ―氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷或γ-二乙烯三胺丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种。
3.根据权利要求1所述的环保型超疏水复合材料,其特征在于:所述的疏水剂的浓度为1-5wt.%,所述的疏水改性剂为十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷或十二烷基甲基二甲氧基硅烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的环保型超疏水复合材料,其特征在于:所述的中和剂是草酸。
5.根据权利要求1所述的环保型超疏水复合材料,其特征在于:所述的聚氨酯-丙烯酸复合乳液为LSPUA-970、PU-3280或PUA-2011M的一种。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的环保型超疏水复合材料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤
1)制备疏水改性的二氧化硅溶胶:
在室温下,采用法将硅酸乙酯90-100份制备成单分散粒径为100nm-200nm的SiO2溶胶,之后继续搅拌制得SiO2溶胶,搅拌速率是200-400rmp,搅拌时间是3-4h;
接着保持上述转速和温度,在SiO2溶胶中加入硅烷偶联剂0.225-2.5份,之后立刻加入中和剂0.225-2.5份,测得PH值为3后,停止加入中和剂;
之后将上述体系的温度升高到60-65℃,保持上述搅拌速率搅拌30-60min,然后加入疏水剂0.225-1.25份,再搅拌30-60min,即得到疏水改性的二氧化硅溶胶;
2)制备超疏水复合材料:
在室温下,将步骤1)制得的疏水改性的二氧化硅溶胶加入到搅拌缸中,转速调为300-400rmp,之后缓慢加入聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液11.25-50份,然后将转速提高到800-1000rmp,搅拌10-20min,终止反应。
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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