CN105733385B - 一种仿生保洁水性涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提供一种具有仿生自润滑作用的保洁水性涂料及其制备方法，利用仿猪笼草效应自润滑表面的特点，通过气凝胶负载硅油的方式，将具有润滑效果的硅油润滑液封进水性树脂涂料基材内部，结合气凝胶多孔结构的吸附和硅油在水性树脂表面的迁移行为，达到硅油润滑油在水性涂料基材表面的缓释作用，起到长久自润滑保洁的效果。本发明制备方法中不需要构造超疏水粗糙表面，所制备的涂料具有自清洁效果稳定性好、环保无污染；本发明制备方法简单，方法创新，实施性强，更有利于实现工业应用。

Description

一种仿生保洁水性涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水性涂料及其制备方法，尤其涉及一种具有仿生自润滑作用的保洁水性涂料及其制备方法。
背景技术
自清洁涂层（保洁涂层）具有节水、节能、环保等优势，越来越受到人们的广泛关注，是目前材料学科研究的热点之一。目前，大都通过在表面构筑仿生超疏水涂层实现涂层自清洁功能，其主要通过在粗糙表面修饰低表面能物质和提高低表面能物质的粗糙度两种方式来实现。但目前报道的超疏水表面大都存在制备工艺复杂，条件苛刻，设备昂贵生产成本高、稳定性差等问题，大大降低其实用价值。除此之外，自清洁涂层大都采用含有机溶剂的材料制备而成。
随着环保意识的增强，世界各国都相继制订了挥发性有机物（VOC）排放的限量标准和法规。溶剂型涂料是VOC 的重要来源，对环境造成很大污染，对人体带来极大的危害，同时在施工、储藏、运输中存在易燃、易爆等安全隐患。水性涂料具有绿色、节能、安全、作用方便的特点，在世界各国得到了迅速发展。
仿生猪笼草自润滑表面具有抗有机液体、复杂液体(原油、血液等) 、冰以及生物膜黏附，抗压稳定性好，能够自修复等优点，近年来已成为自清洁新材料研究领域的一大热点。仿生猪笼草自润滑表面可达到分子尺度的光滑，能显著减小液滴滑动角和滞后角，能够高效抑制各种基材包括油脂、血液、冰以及生物膜的黏附，在自清洁涂料、海洋防污、防霜防覆冰、油水分离、生物医用领域具有广阔的应用前景。
基于以上分析，通过新型仿生手段，采用简单可控的工艺条件，使用操作简单的设备获得自清洁效果稳定性好且环保无污染的水性涂料，是自清洁涂层技术发展重点方向之一。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种具有仿生自润滑作用的保洁水性涂料，所制备的仿生保洁水性涂层具有自清洁效果稳定性好、环保无污染的特点。
本发明通过气凝胶负载硅油的方式，将具有润滑效果的硅油润滑液封进水性树脂涂料基材内部，结合气凝胶多孔结构的吸附和硅油在水性树脂表面的迁移行为，达到硅油润滑油在水性涂料基材表面的缓释作用，起到长久自润滑保洁的效果。
本发明的目的通过以下方式来完成：
一种仿生保洁水性涂料，其特征在于；主要由以下组分的原料制备而成：
水性树脂分散体 100质量份；
可缓释硅油功能浆料 3～100质量份；
去离子水 5～70质量份；
纳米材料 5～60质量份；
填料 0.5～80质量份；
功能助剂 0.5～80质量份；
其中，所述可缓释硅油功能浆料主要由以下按重量份数计的原料制备而成：
SiO2气凝胶颗粒 100质量份；
硅油 20～1000质量份；
表面活性剂 1～400质量份；
去离子水 50～1500质量份；
进一步的，所述功能助剂选用杀菌剂、成膜助剂、消泡剂、润湿剂、分散剂、流平剂、增稠剂、pH 调节剂、着色剂和固化剂的至少一种。
进一步的，所述的水性树脂分散体是丙烯酸树脂分散体、聚氨酯树脂分散体、聚酯树脂分散体、醇酸树脂分散体、环氧树脂分散体的至少一种。
进一步的，所述的杀菌剂为磺胺间二甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、甲氧苄氨嘧啶、二甲氧氨嘧啶、青霉素的至少一种。
进一步的，所述的纳米材料为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米级银粉的至少一种。
进一步的，所述的着色剂为有机颜料、染料、透明氧化铁、安巴粉、珠光颜料、金属颜料的至少一种。
进一步的，所述的固化剂为聚氮丙啶、碳化二亚胺、三聚氰胺的至少一种。
进一步的，所述的表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂的至少一种。
进一步的，所述的填料选用超细轻钙、滑石粉、沉淀硫酸钡、硅钙粉、硬脂酸锌的至少一种。
进一步的，所述的SiO2气凝胶颗粒的密度为0.05~0.5g/ml，比表面积为300~1200m/g，粒径尺寸为0.5~1000μm。
为更好实现本发明，
所述的成膜助剂优选丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯的至少一种；
所述的消泡剂优选乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷的至少一种；
所述的润湿剂优选乙醇、甘油、吐温、丙二醇、聚乙二醇的至少一种；
所述的分散剂优选三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯的至少一种；
所述的流平剂优选聚丙烯酸、羧甲基纤维素的至少一种；
所述的增稠剂优选无机增稠剂、纤维素类、聚丙烯酸酯和缔合型聚氨酯增稠剂的至少一种；
所述的pH 调节剂优选富马酸、偏酒石酸、柠檬酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、冰乙酸、乙酸、己二酸、磷酸、盐酸、富马酸一钠、柠檬酸钠、柠檬酸钾、柠檬酸一钠、磷酸盐、硫酸钙、乳酸钙、乙酸钠、氢氧化钙、氢氧化钾、氢氧化钠的至少一种。
一种仿生保洁水性涂料的制备方法，包括以下步骤：
A: 可缓释硅油功能浆料的制备
按设定的质量份数，将SiO2气凝胶颗粒和硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；按设定的重量百分比，将去离子水和表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；
B：仿生保洁水性涂料的制备
按设定的质量份数，将去离子水和可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入纳米材料，按800 ～ 1800rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的水性树脂分散体中，再加入填料和功能助剂搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
本发明制备的仿生保洁水性涂料，可应用于自润滑保洁防污领域，如用于防藻防霉防尘的外墙涂料，海洋防污涂料、防污闪涂料、防覆冰涂料等。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明通过气凝胶负载硅油的方式，将具有润滑效果的硅油润滑液封进水性树脂涂料基材内部，结合气凝胶多孔结构的吸附和硅油在水性树脂表面的迁移行为，达到硅油润滑油在水性涂料基材表面的缓释作用，使得涂料表面具有自润滑的效果；本发明所提供的一种仿生保洁水性涂料及其制备方法，利用仿猪笼草效应自润滑表面的特点，且制备方法中不需要构造超疏水粗糙表面，所制备的涂料具有自清洁效果稳定性好、环保无污染；本发明制备方法简单，方法创新，实施性强，更有利于实现工业应用。
附图说明
图1 为实施例1中涂层表面的水滴接触角CA的图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和1000质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将1000质量份去离子水和100质量份脂肪醇聚氧乙烯醚表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.05g/ml，比表面积为1000m2/g，粒径尺寸为20μm。
按质量份数，将50质量份去离子水和100质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入5质量份纳米二氧化硅，按800 rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份丙烯酸树脂分散体中，再加入0.5质量份超细轻钙填料、0.1质量份磺胺间二甲氧嘧啶，1质量份羧甲基纤维素，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。附图1为水滴在涂层表面的接触角图片，从结果中可以看到，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为105°，具有明显的疏水性。经过测试，水滴在该涂层表面的滚动角为8°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。
实施例2
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和20质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将1500质量份去离子水和1质量份辛基酚聚氧乙烯醚表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.5g/ml，比表面积为800m2/g，粒径尺寸为1000μm。
按质量份数，将5质量份去离子水和3质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入60质量份纳米二氧化钛，按1000rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份聚氨酯树脂分散体中，再加入80质量份滑石粉填料、0.1质量份聚氮丙啶，79.9质量份丙二醇，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。测试结果表面，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为101°，具有明显的疏水性；水滴在该涂层表面的滚动角为8°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。
实施例3
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和500质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将50质量份去离子水和400质量份月桂基磺化琥珀酸单酯二钠表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.1g/ml，比表面积为300m2/g，粒径尺寸为10μm。
按质量份数，将10质量份去离子水和80质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入20质量份纳米氧化锌，按800rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份聚酯树脂分散体中，再加入20质量份硬脂酸锌填料、0.2质量份乳化硅油，0.3质量份透明氧化铁，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。测试结果表面，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为90°，具有明显的疏水性；水滴在该涂层表面的滚动角为9°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。
实施例4
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和500质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将800质量份去离子水和200质量份十二烷基二甲基苄基氯化铵表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.05g/ml，比表面积为1200m2/g，粒径尺寸为0.5μm。
按质量份数，将10质量份去离子水和100质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入20质量份纳米级银粉，按1800rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份醇酸树脂分散体中，再加入10质量份硅钙粉填料、1质量份磺胺间二甲氧嘧啶，1质量份丙二醇甲醚醋酸酯，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。测试结果表面，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为110°，具有明显的疏水性；水滴在该涂层表面的滚动角为10°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。
实施例5
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和900质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将100质量份去离子水和50质量份十六烷基三甲基氯化铵表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.1g/ml，比表面积为900m2/g，粒径尺寸为1000μm。
按质量份数，将10质量份去离子水和70质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入5质量份纳米二氧化硅，按800rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份环氧树脂分散体中，再加入50质量份填料、1质量份丙二醇丁醚，1质量份羧甲基纤维素，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。测试结果表面，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为110°，具有明显的疏水性；水滴在该涂层表面的滚动角为10°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。
实施例6
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和500质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将1000质量份去离子水和200质量份十二烷基苯磺酸表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.05g/ml，比表面积为1200m2/g，粒径尺寸为0.5μm。
按质量份数，将20质量份去离子水和100质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入30质量份纳米二氧化硅，按1000rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份丙烯酸树脂分散体中，再加入20质量份沉淀硫酸钡填料、2质量份聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚，2质量份甘油，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。测试结果表面，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为98°，具有明显的疏水性；水滴在该涂层表面的滚动角为7°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。
实施例7
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和100质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将200质量份去离子水和20质量份烷基二甲基甜菜碱表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.2g/ml，比表面积为400m2/g，粒径尺寸为200μm。
按质量份数，将50质量份去离子水和100质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入30质量份纳米二氧化硅，按1800rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份聚氨酯树脂分散体中，再加入10质量份滑石粉填料、5质量份三乙基己基磷酸，1质量份聚丙烯酸，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。测试结果表面，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为103°，具有明显的疏水性；水滴在该涂层表面的滚动角为7°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。
实施例8
按质量份数，将100质量份SiO2气凝胶颗粒和1000质量份硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；将1200质量份去离子水和300质量份两性离子聚丙烯酰胺表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；其中SiO2气凝胶颗粒的密度为0.5g/ml，比表面积为300m2/g，粒径尺寸为10μm。
按质量份数，将60质量份去离子水和100质量份可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入10质量份纳米二氧化硅，按800rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的100质量份聚酯树脂分散体中，再加入10质量份超细轻钙填料、2质量份古尔胶，1质量份乙酸钠，搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
将制得的仿生保洁水性涂料涂覆于铝合金金属基板上，获得仿生保洁涂层。测试结果表面，水滴在仿生保洁水性涂层上的接触角为95°，具有明显的疏水性；水滴在该涂层表面的滚动角为10°，可知水滴在表面容易滚动，涂层具有明显的润滑效果。

Claims (2)

1.一种仿生保洁水性涂料，其特征在于；主要由以下组分的原料制备而成：
其中，所述可缓释硅油功能浆料主要由以下按重量份数计的原料制备而成：
所述功能助剂选用杀菌剂、成膜助剂、消泡剂、润湿剂、分散剂、流平剂、增稠剂、pH调节剂、着色剂和固化剂的至少一种；
所述的水性树脂分散体是丙烯酸树脂分散体、聚氨酯树脂分散体、聚酯树脂分散体、醇酸树脂分散体、环氧树脂分散体的至少一种；
所述的杀菌剂为磺胺间二甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、甲氧苄氨嘧啶、二甲氧氨嘧啶、青霉素的至少一种；
所述的纳米材料为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米级银粉的至少一种；
所述的着色剂为有机颜料、染料、透明氧化铁、安巴粉、珠光颜料、金属颜料的至少一种；
所述的固化剂为聚氮丙啶、三聚氰胺的至少一种；
所述的表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂的至少一种；
所述的填料选用超细轻钙、滑石粉、沉淀硫酸钡、硅钙粉、硬脂酸锌的至少一种；
所述的SiO2气凝胶颗粒的密度为0.05～0.5g/ml，比表面积为300～1200m2/g，粒径尺寸为0.5～1000μm。
2.根据权利要求1所述一种仿生保洁水性涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A:可缓释硅油功能浆料的制备
按设定的质量份数，将SiO2气凝胶颗粒和硅油混合，搅拌均匀，得到负载硅油气凝胶颗粒；按设定的质量份数，将去离子水和表面活性剂混合搅拌均匀，加入负载硅油气凝胶颗粒，搅拌分散均匀，得到可缓释硅油功能浆料；
B：仿生保洁水性涂料的制备
按设定的质量份数，将去离子水和可缓释硅油功能浆料混合搅拌均匀，加入纳米材料，按800～1800rpm高速分散均匀，得到水性分散体；把得到的水性分散体加入搅拌的水性树脂分散体中，再加入填料和功能助剂搅拌分散均匀，制得仿生保洁水性涂料。
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