CN105440888B - 一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法 - Google Patents

一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，属于表面涂层制备技术领域。本发明的方法是在酮‑水混合体系中，酸或碱催化作用下，将有机硅烷与纳米粒子进行水解缩合反应，得到有机硅烷聚合物/纳米粒子复合物悬浮液；然后在复合物悬浮液中添加有机树脂黏合剂混合均匀，并均匀喷涂于基底材料表面，最后经过热固化处理，制得稳定的超疏热液体涂层。本发明制备的涂层具有优异的超疏热液体性能，较好的机械稳定性、化学稳定性和环境稳定性，具有较好的实际应用前景。

Description

一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超双疏表面的制备，尤其涉及一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，属于表面涂层制备技术领域。
背景技术
超双疏表面是特殊润湿性表面中的一种，在该表面上水滴和低表面能有机液滴的接触角大于150°，滚动角低于10°，在表面防腐、防污、输油和流体减阻等诸多领域中有广泛的应用前景。目前，主要通过光刻蚀、静电纺丝、自组装和电化学沉积等技术手段和方法来实现超双疏表面的制备。专利CN102677141B中，以钛或者钛合金为基底材料，通过电化学刻蚀技术，得到微-纳米结构，再通过低表面能物质修饰得到超疏油表面。专利CN104372527A中，通过预聚体的合成、扩链反应、聚阴离子合成、含氟N-取代聚氨酯的制备和聚合物电纺丝薄膜的制备等多步制备了一种超双疏薄膜。近年来，有机树脂粘结剂在构筑超双疏表面方面得到了广泛关注。专利CN103588955A中，通过化学接枝的方法，将含氟化合物接枝到环氧树脂上，并通过添加无机纳米粒子构筑粗糙度制备了超双疏表面。专利CN103588853A中，采用喷涂聚氨酯/二氧化钼复合物，再通过全氟辛基氯硅烷修饰，得到了超双疏涂层。
上述方法虽然得到了超双疏表面，但依然存在制备方法复杂昂贵、稳定性差、对基底材料性质依赖性大等诸多问题，限制了超双疏表面在特殊条件下的实际应用。专利CN201410840400.3通过将有机硅烷与纳米粒子的结合，通过简单的喷涂法制备了稳定超双疏涂层，具有优异的超双疏效果和稳定性，且制备工艺简单。然而，现有超双疏涂层仅对室温下的水和低表面能液体具有较高的接触角和较低的滚动角，但极易被热液体润湿，从而失去自清洁效果。这是由于热液体的蒸汽极易在超双疏涂层的粗糙多孔结构中凝结，引起固液界面基础面积的显著增大，导致液滴在涂层表面的粘附和润湿。另外，高温下液体表面能的降低也是导致涂层超疏性能丧失的一个重要因素。因此，超疏热液体涂层具有普通超双疏涂层不可比拟的优势，在热流体减阻、防烫伤织物和热传递等领域具有广阔的应用前景。目前，超疏热液体涂层尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有超双疏涂层性能和技术方面存在的问题，提供一种制备稳定超疏热液体涂层的方法。
（一）稳定超疏热液体涂层的制备
在酮-水混合体系中，酸或碱催化作用下，将有机硅烷与纳米粒子进行水解缩合反应，得到有机硅烷聚合物/纳米粒子复合物悬浮液；然后在有机硅烷聚合物/纳米粒子复合物悬浮液中添加有机树脂黏合剂混合均匀，并均匀喷涂于基底材料表面，最后经过热固化处理，制得稳定的超疏热液体涂层。
所述有机硅烷包括至少一种含氟有机硅烷和至少一种硅烷偶联剂，且含氟有机硅烷与硅烷偶联剂的物质的量比为20:1~1:1；有机硅烷体在酮-水混合体系中的体积百分数为0.01~2%。其中含氟有机硅烷为全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三氯硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、全氟辛基二甲基甲氧基硅烷、全氟癸基二甲基氯硅烷、全氟癸基二甲基甲氧基硅烷。硅烷偶联剂为四氯硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、甲基三氯硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三氯硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、乙烯基三氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
所述纳米粒子为碳纳米管、氧化石墨烯、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、纳米银、蒙脱石、凹凸棒石、海泡石、埃洛石、水滑石、蛭石、云母、高岭石、锂皂石、细菌纤维素、聚苯乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种；纳米粒子在酮-水混合体系中的的质量百分数为0.01~2%。
所述酮-水混合体系中，酮为丙酮、丁酮、乙酰乙酸乙酯、氮甲基吡咯烷酮中的一种；酮与水的体积比为40:1~4:1。
上述作为催化剂的酸为盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、草酸、甲酸、苯磺酸中的至少一种；作为催化剂的碱为氨水、乙二胺、三乙胺、三丁胺，三乙醇胺中的至少一种；催化剂在酮-水混合体系中的体积百分数为2~20%。
有机硅烷与纳米粒子的缩合水解缩合反应是在25~100℃下进行1~72h。
所述有机树脂黏合剂为环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、氨基树脂、有机硅树脂、聚酰胺树脂、脲醛树脂、聚氨酯树脂、氟碳树脂中的至少一种；有机树脂黏合剂在机硅烷聚合物/纳米粒子复合物悬浮液中的体积百分数为0.01~5%。
所述基底材料为玻璃、织物、金属、陶瓷或塑料。所述喷涂是控制喷涂压力在0.05~0.5MPa，喷涂距离在5~30cm，基底温度25~150℃下，采用喷枪进行喷涂。
所述涂层热固化处理是在25~240℃下处理0.5~24h。
（二）稳定超疏热液体涂层的性能评价
1、不同温度下的水和低表面能液体的接触角和滚动角测量
测量不同温度下5µL水滴和低表面能液滴的接触角和滚动角来评价本发明制备的涂层的超疏热液性能。结果显示：沸水的接触角>160°，滚动角<10°；70℃正十六烷的接触角>155°，滚动角<20°，具有优异的超疏热液体性能。
2、稳定性测试
采用砂纸磨损、高压水柱冲击、有机溶剂浸泡、酸碱浸泡、热水浸泡、热有机溶剂浸泡、高低温和紫外线照射等损坏表面后，测定对70℃水和油滴接触角和滚动角的影响。具体如下：
砂纸磨损：砂纸目数800~2500，压力2~9kPa，往复一次移动距离40cm，往复5~10次；测定70℃热水和油接触角和滚动角。结果显示：涂层对70℃水和油接触角无明显变化。
高压水柱冲击：水压10~150kPa，距超双疏表面高度20cm释放，往复5~10次；测定70℃水和油接触角和滚动角。结果显示：涂层对70℃水和油接触角无明显变化。
溶剂稳定性：将超双疏表面浸泡在各种溶剂中1周；测定70℃水和油接触角和滚动角。结果显示：涂层对70℃水和油接触角无明显变化。
酸碱浸泡稳定性：将超双疏表面浸在泡浓酸或浓碱24小时；测定70℃水和油接触角和滚动角。结果显示：涂层对70℃水和油接触角无明显变化。
热水浸泡及热有机溶剂浸泡稳定性：将超双疏表面浸泡在沸腾的水和各种溶剂24小时；测定70℃水和油接触角和滚动角。结果显示：涂层对70℃水和油接触角无明显变化。
高低温稳定性：将超双疏表面在300℃或-196℃放置1h。测定70℃水和油接触角和滚动角。结果显示：涂层对70℃水和油接触角无明显变化。
紫外线辐照稳定性：将超双疏表面在314nm下（距离光源15cm）辐照24h后，测定70℃水和油接触角和滚动角。结果显示：涂层对70℃水和油接触角无明显变化。
上述测试结果显示：本发明制备的涂层具有优异超疏热液体性能，较好的机械稳定性、化学稳定性和环境稳定性。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明超疏热液体涂层的制备和性能作进一步说明。
实施例1
称取0.5g直径为100nm 的SiO2纳米粒子，加入到100mL锥形瓶中；再分别量取46mL丙酮、2mL氨水和2mL去离子水，磁力搅拌10min，超声30min；量取0.05mL四乙氧基硅烷和0.6mL全氟癸基三乙氧基硅烷，加入到锥形瓶中，60℃下搅拌反应24h，得到均一的有机硅烷聚合物/SiO2复合物悬浮液；量取4mL有机硅烷聚合物/SiO2复合物悬浮液，添加悬浮液体积2.5%环氧树脂和0.25%乙二胺固化剂，搅拌5min，控制喷涂压力0.2MPa、喷涂距离在20cm、基底加热温度70℃下喷涂在玻璃表面，然后将玻璃片取下，120℃处理2h。
以70℃ 5µL水滴和油滴测定接触角和滚动角：水接触角=162°，滚动角=2°；正十六烷接触角=156°，滚动角=18°。
实施例2
称取4g直径为10~20nm 多壁碳纳米管，加入到1000mL锥形瓶中；再分别量取400mL丁酮、10mL盐酸和90mL去离子水，机械搅拌10min，超声30min；量取2.5mL甲基三乙氧基硅烷和6.5mL全氟辛基三乙氧基硅烷，加入到锥形瓶中，室温下搅拌反应24h，得到均一的有机硅烷聚合物/多壁碳纳米管复合物悬浮液；量取40mL有机硅烷聚合物/多壁碳纳米管复合物，添加悬浮液体积2%聚氨酯树脂，搅拌5min，控制喷涂压力0.1MPa、喷涂距离在10 cm、基底加热温度70℃下喷涂在不锈钢表面，然后将不锈钢片取下，100℃处理4h。
以70℃ 5µL水滴和油滴测定接触角和滚动角：水接触角=159°，滚动角=2°；十六烷接触角=154°，滚动角=14°。
实施例3
称取1g凹凸棒石，加入到100mL锥形瓶中；再分别量取30mL丙酮、8mL氨水和6mL去离子水，磁力搅拌10min，超声30min；量取0.2mL全氟癸基三甲氧基硅烷和0.1mL乙基三乙氧基硅烷，加入到锥形瓶中，50℃下搅拌反应2h，得到均一的有机硅烷聚合物/凹凸棒石复合物悬浮液；量取4mL有机硅烷聚合物/凹凸棒石复合溶液，添加悬浮液体积1%的氟碳树脂，搅拌5min，控制喷涂压力0.2MPa、喷涂距离在5 cm、基底加热温度70℃下喷涂在织物表面，然后将织物取下，70℃处理2h。
以70℃ 5µL水滴和油滴测定接触角和滚动角：水接触角=161°，滚动角=3°；正十六烷接触角=153°，滚动角=18°。
实施例4
称取0.75埃洛石，加入到100mL锥形瓶中；再分别量取94mL丙酮、4mL氨水和2mL去离子水，磁力搅拌10min，超声30min；量取0.5mL全氟辛基二甲基甲氧基硅烷和0.2mL甲基三甲氧基硅烷，加入到锥形瓶中，25℃下搅拌反应4h，得到均一的有机硅烷聚合物/埃洛石复合物悬浮液；量取4mL有机硅烷聚合物/埃洛石石复合溶液，添加悬浮液体积2%的聚酯树脂，搅拌5min，控制喷涂压力0.2MPa、喷涂距离在7cm、基底加热温度80℃下喷涂在铝片表面，然后将铝片取下，70℃处理2h。
以70℃ 5µL水滴和油滴测定接触角和滚动角：水接触角=163°，滚动角=3°；正十六烷接触角=154°，滚动角=16°。
实施例5
称取0.5g海泡石，加入到100mL锥形瓶中；再分别量取35mL丁酮、5mL氨水和5mL去离子水，磁力搅拌10min，超声30min；量取0.6mL全氟癸基三乙氧基硅烷和0.1mL正硅酸乙酯，加入到锥形瓶中，室温下搅拌反应3h，得到均一的有机硅烷聚合物/海泡石复合物悬浮液；量取4mL有机硅烷聚合物/海泡石复合溶液，添加悬浮液体积5%的丙烯酸树脂，搅拌5min，控制喷涂压力0.2MPa、喷涂距离在5 cm、基底加热温度80℃下喷涂在玻璃表面，然后将玻璃取下，60℃处理24h。
以70℃ 5µL水滴和油滴测定接触角和滚动角：水接触角=162°，滚动角=2°；正十六烷接触角=151°，滚动角=20°。
实施例6
称取1g氧化锌，加入到100mL锥形瓶中；再分别量取50mL丙酮、6mL氨水和2mL去离子水，磁力搅拌10min，超声30min；量取0.4mL全氟辛基三甲氧基硅烷和0.1mL甲基三乙氧基硅烷，加入到锥形瓶中，50℃下搅拌反应4h，得到均一的有机硅烷聚合物/氧化锌复合物悬浮液；量取4mL有机硅烷聚合物/氧化锌复合溶液，添加悬浮液体积3%的氟碳树脂，搅拌5min，控制喷涂压力0.2MPa、喷涂距离在5 cm、基底加热温度70℃下喷涂在聚四氟乙烯表面，然后将聚四氟乙烯取下，60℃处理2h。
以70℃ 5µL水滴和油滴测定接触角和滚动角：水接触角=160°，滚动角=2°；正十六烷接触角=155°，滚动角=15°。

Claims (12)

1.一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，是在酮-水混合体系中，酸或碱催化作用下，将有机硅烷与纳米粒子进行水解缩合反应，得到有机硅烷聚合物/纳米粒子复合物悬浮液；然后在复合物悬浮液中添加有机树脂黏合剂混合均匀，并均匀喷涂于基底材料表面，最后经过热固化处理，制得稳定的超疏热液体涂层；所述有机树脂黏合剂为酚醛树脂、丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、氨基树脂、有机硅树脂、聚酰胺树脂、脲醛树脂、聚氨酯树脂、氟碳树脂中的至少一种。
2.如权利要求1所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述有机硅烷包括至少一种含氟有机硅烷和至少一种硅烷偶联剂，且含氟有机硅烷与硅烷偶联剂的物质的量比为20:1~1:1；有机硅烷体在酮-水混合体系中的体积百分数为0.01~2%。
3.如权利要求1所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述纳米粒子为碳纳米管、氧化石墨烯、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、纳米银、蒙脱石、凹凸棒石、海泡石、埃洛石、水滑石、蛭石、云母、高岭石、锂皂石、细菌纤维素、聚苯乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种；纳米粒子在酮-水混合体系中的质量百分数为0.01~2%。
4.如权利要求1所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述酮-水混合体系中，酮为丙酮、丁酮、乙酰乙酸乙酯、氮甲基吡咯烷酮中的一种；酮与水的体积比为40:1~4:1。
5.如权利要求1所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：作为催化剂的酸为盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、草酸、甲酸、苯磺酸中的至少一种；作为催化剂的碱为氨水、乙二胺、三乙胺、三丁胺，三乙醇胺中的至少一种；催化剂在酮-水混合体系中的体积百分数为2~20%。
6.如权利要求1所述稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：有机硅烷与纳米粒子的缩合水解缩合反应是在25~100℃下进行1~72h。
7.如权利要求1所述稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：有机树脂黏合剂在有 机硅烷聚合物/纳米粒子复合物悬浮液中的体积分百数为0.01~5%。
8.如权利要求1所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂是控制喷涂压力在0.05~0.5MPa，喷涂距离在5~30cm，基底温度25~150℃下，采用喷枪进行喷涂。
9.如权利要求1所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述基底材料为玻璃、织物、金属、陶瓷或塑料。
10.如权利要求1所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述涂层热固化处理是在25~240℃下处理0.5~24h。
11.如权利要求2所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述含氟有机硅烷为全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三氯硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、全氟辛基二甲基甲氧基硅烷、全氟癸基二甲基氯硅烷、全氟癸基二甲基甲氧基硅烷。
12.如权利要求2所述一种稳定的超疏热液体涂层的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为四氯硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、甲基三氯硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三氯硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、乙烯基三氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
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