CN105386032B - 一种利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法及其产品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法及其产品，该方法其包括如下步骤：第一，对基体表面进行粗化处理；第二步，将喷涂的粉末用低表面能物质进行修饰；第三步，利用冷喷涂技术在基体表面制备耐磨超疏水涂层。利用本方法制备得到的涂层的静态接触角可达到150‑180°，滚动角小于10°，具有良好的超疏水性。采用本发明的方法，制备得到了不粘锅产品，该产品具有很好的耐摩擦性、不粘性，相对于市场上的不粘锅更加耐磨，所以在该领域具有极大的竞争潜力。此外，本发明提供的方法可以基于不同的基材(金属、陶瓷、玻璃、塑料等)制备不同的耐磨超疏水涂层，应用范围广泛。

Description

一种利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法及其产品
技术领域
本发明涉及表面改性领域，具体涉及一种利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法及产品。
背景技术
冷喷涂技术是通过采用高速气流加速固态粒子，经加速后高速撞击预置的基体，使粒子发生塑性变形而扁平化形成涂层。冷喷涂能够制得低氧化物含量、低内应力、高硬度、高厚度的高质量涂层。相较于热喷涂技术，冷喷涂是在低于粉末熔点温度下进行操作，该过程几乎无氧化现象，对粉末粒子结构几乎无影响，适用于温度敏感材料、氧化敏感材料和相变敏感材料等。冷喷涂制备的涂层密度大、结合强度高(高于70MPa)、组织稳定、沉积率高、孔隙率低(低于1％)、能完整保存原始粉末的物理化学特性，同时粉末可以回收利用、设备比较简单、成本低，是一种经济环保的喷涂技术。
目前，冷喷涂技术得到了进一步的发展，技术逐渐成熟，在材料表面改性、纳米材料、生物功能材料等领域得到了越来越广泛的应用。专利CN104099608A公开了采用冷喷涂技术，制备得到了成分稳定、结合良好的Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层。专利CN102747363B公开了一种在金属基体表面喷涂纳米级金属颗粒的方法，该方法将真空冷喷涂和电场辅助冷喷涂相结合，实现了纳米级金属颗粒在常温常压下的喷涂作业。
不粘锅具有易清洗、油烟少等优点，在厨卫领域引发了一场革命。目前市场上的不粘锅主要是在表面喷涂一层聚氟树脂类的涂料，它具有强度差、易脱落等缺点，限制了它的长期使用。制备一种强度高、硬度大、耐磨性能好、成本低的不粘锅将是此领域的发展趋势。
冷喷涂技术具有许多优势，尤其适合于微纳米粉末材料涂层的制备，因此采用冷喷涂的方法制备耐磨的超疏水涂层、不粘锅具等具有极大的优势和应用前景。目前，用冷喷涂方法制备耐磨超疏水涂层、不粘锅的相关研究尚未见报道。
发明内容
本发明提供了一种利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法及其产品，该方法采用冷喷涂技术，可以完整的保存原始粉末的物理化学特性，沉积速度高；不需要特别的冷却步骤，操作简单，适合于工业化应用，具有极大的优势和应用前景。
一种利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法，包括以下步骤：
(1)依次对基体表面进行清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基体；
(2)采用低表面能物质对要进行喷涂的粉末进行修饰，得到修饰后的粉末；
(3)利用冷喷涂技术在步骤(1)得到的基体上喷涂步骤(2)得到的粉末，在基体表面得到所述的耐磨超疏水涂层。
本发明提供的冷喷涂技术，在室温下即可完成操作，可以完整的保存原始粉末的物理化学特性，且操作简单、沉积率高、成本可控、可产业化大面积制备，具有极大的优势和应用前景。
步骤(1)中，所述的基体为金属、陶瓷、玻璃或塑料。
作为优选，步骤(1)中，采用丙酮、酒精和去离子水依次进行清洗。
将基体表面进行喷砂粗化处理，可以增大基体粗糙度，提高涂层结合强度，作为优选，步骤(1)中，喷砂的工艺参数为：空气压力0.3-1.0MPa，喷砂时间10秒-1分钟，喷砂用砂丸目数40-200目。
作为优选，步骤(2)中，所述的低表面能物质为氟树脂、氟碳树脂、氟硅烷树脂中的一种或几种。
作为优选，步骤(2)中，所述的粉末的材料包括金属、金属合金和陶瓷中的一种或几种。
作为进一步的优选，所述的粉末的材料为铝、钛、铜、316不锈钢、二氧化钛、氧化铝中的一种或多种；
所述的粉末为纳米级、微米级或微纳米复合的粉末。
作为优选，步骤(3)中，冷喷涂的工艺参数为：工作气体预热温度为100-600℃，压力为1-3.5MPa，喷涂距离为5-50mm，粒子速度为300-1200m/s，喷枪移动速度为100-250mm/s。
作为优选，步骤(3)中，所述的工作气体为N2、He、压缩空气或其混合气体。
本发明还提供了一种由所述的方法制备得到的耐磨超疏水涂层，该耐磨超疏水涂层接触角大于150°，滚动角小于10°，具有良好的超疏水性能。
本发明制备得到的超疏水涂层，通过耐摩擦实验发现具有很好的耐摩擦性能。
本发明还提供了一种不粘锅，表面含有所述的耐磨超疏水涂层。
本发明制备得到的不粘锅产品，具有很好的不粘性能和耐磨性能。喷涂不粘锅采用的为陶瓷材料，相对于市场上的产品，更加安全健康、环境友好，适合于长期使用且成本可控，具有极大的竞争潜力和广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的耐磨损超疏水涂层表面扫描电镜图；
图2为实施例1制备的超疏水涂层磨损前后接触角测量结果图，图2(a)为采用砂纸磨损前的接触角测量结果，图2(b)为采用砂纸磨损后的接触角测量结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明提供的利用冷喷涂技术制备超疏水涂层的方法包括以下具体步骤：
(1)将基体表面依次用丙酮、酒精、去离子水等进行清洗，然后进行喷砂粗化处理，以达到表面喷涂的粗糙度要求；
(2)将要进行喷涂的粉末用低表面能物质进行修饰；
(3)在步骤(1)得到的基体上采用冷喷涂技术喷涂低表面能物质修饰的粉末，即制得耐磨超疏水涂层及产品。
实施例1
在本实施例中，基体材料选择厚度为2mm的316不锈钢，耐磨超疏水涂层的具体制备方法如下：
(1)依次用丙酮、酒精、去离子水对基体进行清洗，然后采用60目棕刚玉砂对基体表面进行喷砂粗化处理，喷砂采用的气压为0.5MPa，喷砂时间为30s；
(2)采用的粉末为低表面能物质修饰的二氧化钛粉，低表面能物质修饰的二氧化钛粉的具体制备方法为：将平均直径为50微米的二氧化钛粉末加入到乙醇中至质量百分比浓度为5％，然后在该溶液中加入5％的聚四氟乙烯(PTFE，其中5％指的是PTFE的最终浓度)，搅拌均匀即可。
(3)利用冷喷涂技术喷涂步骤(2)得到的粉末，控制喷涂的工艺参数为：工作气体为N2，预热温度为600℃，压力为2.5MPa，喷涂距离为20mm，送粉速度为3.0r/min，喷枪移动速度为15mm/s。
(4)喷涂完成后得到超疏水涂层，其接触角为153°，滚动角为8°，具有良好的超疏水性，涂层厚度为30μm，与基体材料结合良好。
(5)超疏水涂层耐磨性能的研究：在25KPa下，采用800目砂纸对制得的超疏水涂层表面进行耐摩擦实验，砂纸移动速度为3cm/s，移动距离为1m，耐摩擦实验结束后测得接触角为153°，与步骤(4)制备的涂层接触角无明显变化。
由此可见本实施例得到的产品具有很好的超疏水性能，通过耐摩擦性能测试实验证实该产品同时具有良好的耐摩擦性能。
实施例2
在本实施例中，基体材料选择厚度为2mm的316不锈钢，耐磨超疏水涂层及产品的具体制备方法如下：
(1)依次用丙酮、酒精、去离子水对基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂对基体表面进行喷砂粗化处理，喷砂采用的气压为0.5MPa，喷砂时间为30s；
(2)采用的粉末为低表面能物质修饰的氧化铝粉，低表面能物质修饰的氧化铝粉的具体制备方法为：将氧化铝(直径为50微米)加入到乙醇中使质量百分比浓度为5％，然后在该溶液中加入5％的十七氟癸基三乙氧基硅烷，搅拌均匀即可。
(3)利用冷喷涂技术喷涂粉末，控制喷涂的工艺参数为：工作气体为N2，预热温度为400℃，压力为3MPa，喷涂距离为15mm，送粉速度为2.5r/min，喷枪移动速度为12mm/s。
(4)喷涂完成后得到超疏水涂层，其接触角为155°，滚动角为6°，具有良好的超疏水性，涂层厚度为35μm，与基体材料结合良好。
(5)超疏水涂层耐磨性能的研究：在25KPa下，采用800目砂纸对制得的超疏水涂层表面进行耐摩擦实验，砂纸移动速度为3cm/s，移动距离为1m，耐摩擦实验结束后测得接触角为154°，与步骤(4)制备的涂层接触角无明显变化。
由此可见本实施例得到的产品具有很好的超疏水性能，通过耐摩擦性能测试实验证实该产品同时具有良好的耐摩擦性能。
实施例3(对比例)
在本实施例中，基体材料选择厚度为2mm的316不锈钢，耐磨超疏水涂层及产品的具体制备方法如下：
(1)依次用丙酮、酒精、去离子水对基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂对基体表面喷砂粗化处理，喷砂采用的气压为0.5MPa，喷砂时间为30s；
(2)采用的粉末为低表面能物质修饰的氧化铝粉，低表面能物质修饰的氧化铝粉的具体制备方法为：将氧化铝(直径为50微米)加入到乙醇中使质量百分比浓度为5％，然后在该溶液中加入5％的十七氟癸基三乙氧基硅烷，搅拌均匀即可。
(3)利用冷喷涂技术喷涂粉末，控制喷涂的工艺参数为：工作气体为N2，不进行预热处理，压力为1.5MPa，喷涂距离为40mm，送粉速度为5r/min，喷枪移动速度为20mm/s。
(4)喷涂完成后得到超疏水涂层，其接触角为155°，滚动角为6°，具有良好的超疏水性，涂层厚度为25μm，与基体材料结合良好。
(5)超疏水涂层耐磨性能的研究：在25KPa下，采用800目砂纸对制得的超疏水涂层表面进行耐摩擦实验，砂纸移动速度为3cm/s，移动距离为1m。经过摩擦后接触角为135°，不粘锅产品与步骤(4)制备的涂层接触角明显降低。而且，通过耐摩擦性能测试实验证该产品耐磨性能相比实施例1和2的耐磨性能明显降低。

Claims (7)

1.一种利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)依次对基体表面进行清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基体；
喷砂的工艺参数为：空气压力0.3～1.0MPa，喷砂时间10秒～1分钟，喷砂用砂丸目数40～200目；
(2)采用低表面能物质对要进行喷涂的粉末进行修饰，得到修饰后的粉末；
所述的低表面能物质为氟树脂、氟碳树脂、氟硅烷树脂中的一种或几种；
所述的粉末为微米级粉末；
(3)利用冷喷涂技术在步骤(1)得到的基体上喷涂步骤(2)得到的粉末，在基体表面得到所述的耐磨超疏水涂层；
冷喷涂的工艺参数为：工作气体预热温度为400-600℃，压力为1-3.5MPa，喷涂距离为5-50mm，粒子速度为300-1200m/s，喷枪移动速度为100-250mm/s。
2.根据权利要求1所述的利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，采用丙酮、酒精和去离子水依次进行清洗。
3.根据权利要求1所述的利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的粉末的材料包括金属、金属合金和陶瓷中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法，其特征在于，所述的粉末的材料为铝、钛、铜、316不锈钢、二氧化钛、氧化铝中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的利用冷喷涂技术制备耐磨超疏水涂层的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的工作气体为N2、He、压缩空气或其混合气体。
6.一种由权利要求1～5任一项所述的方法制备得到的耐磨超疏水涂层。
7.一种不粘锅，其特征在于，表面含有权利要求6所述的耐磨超疏水涂层。
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