CN105950053A - 一种具有疏水功能的新材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有疏水功能的新材料及其制备工艺。新材料的表面是荷叶仿生结构，包括从下至上的基材层、微孔发泡改性胶黏层和分散涂布在微孔发泡改性胶黏层上的含蜡层。首先通过在胶黏层的制备中，将胶黏层原料与分散剂、发泡剂充分混合后涂布在基材表面，通过涂布发泡工艺后，得到改性基材，最后将蜡分散涂布在所得改性基材外表面后制备而得。本发明产品表面的粗糙结构与荷叶粗糙表面上具有的微纳米结构的乳突以及表面疏水的蜡质材料的结构基本类似，实现了荷叶仿生结构，因而具有良好的疏水功能。

Description

一种具有疏水功能的新材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种新材料及其制备工艺，具体地说，是一种具有疏水功能的新材料及其制备工艺。
背景技术
近年来，自然界中的超疏水(接触角大于150°,滚动角小于10°)与自清洁现象引起人们的研究兴趣。人工制备超疏水表面可用于汽车车窗、建筑物的玻璃窗以及玻璃外墙的防污,用于雷达、天线表面能够防止由于雪雨粘连而导致的信号衰减,材料的表面超疏水化可抑制微生物在物体表面的粘附,抑制聚合物表面的凝血现象,用于输水、输油内管壁可降低流体阻力等。超疏水表面的研究已成为热点课题,涉及到植物学、化学、材料学、工程力学等多门学科。
自然界中的某些植物叶表面具有超疏水性质和自清洁功能，最典型的便是荷叶表面，形成了“荷叶自洁效应”，“出淤泥而不染”。德国生物学家巴特洛特(Barthlott)等研究人员通过对近300种植物叶表面进行研究，认为植物叶片的自清洁特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面疏水的蜡质材料共同造就的。
目前,已用不少方法来制备仿荷叶表面。包括刻蚀法、相分离和自组装法、水热法、化学沉积和电沉积法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法、碳纳米管法、模板法等方法。尽管制备超疏水表面的方法有很多,但上述的方法有很大的局限性,如:平板印刷和激光刻蚀只能加工小面积的表面,无法加工异型表面,并且设备复杂、昂贵。高分子相分离法或自组装法只能用于小面积表面,得到的超疏水表面不耐高温，遇高温熔化，形貌易于被破坏。电沉积或化学沉积法则对设备有要求、条件苛刻,水热法与溶胶-凝胶法也只能加工小面积的表面，至于碳纳米管法,所需条件更加苛刻，需高温或有设备限制。静电纺丝法对设备有限制，无法适用于室外操作。模板法所需的多孔氧化铝模版不易制备，并且无法加工异型表面或大面积表面。用于表面修饰的含氟物质如全氟硅氧烷则十分昂贵。因此,目前还没有大规模生产用于工业或日常生活的超疏水制品,所需解决的问题是,制造方法简便,适合大试件,异形表面,性能稳定,具有一定机械强度。
综上，现有的各种方法都存在各种各样的缺陷，急需改进。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的各种不足之处，提供了一种具有疏水功能的新材料及其制备工艺。
本发明为达到上述目的，是通过这样的技术方案来实现的：
本发明公开了一种具有疏水功能的新材料，所述的新材料的表面是荷叶仿生结构，包括从下至上的基材层、微孔发泡改性胶黏层和分散涂布在微孔发泡改性胶黏层上的含蜡层。
本发明还公开了一种具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)将胶黏层原料和分散剂微粒、发泡剂以一定比例充分混合，以溶剂调节涂料的适当粘度，涂布在基材层表面；
2)涂布后的基材层，通过涂布发泡工艺后，在基材层表面获得微孔发泡改性胶黏层；
3)将蜡溶(熔)液或者蜡乳液或者蜡分散体通过涂布工艺涂布在所得微孔发泡改性胶黏层的表面构成含蜡层，干燥后获得表面具有荷叶仿生结构的新材料。
作为进一步地改进，本发明所述的分散剂为二氧化硅或二氧化钛微粒，其粒径大小为1nm-10μm。
作为进一步地改进，本发明所述的发泡剂的成分是碳酸钠/柠檬酸、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸二异丙酯、偶氮二甲酸二乙酯、4，4’-氧化双苯磺酰肼中的任意一种。
作为进一步地改进，本发明所述的胶黏层原料、分散剂微粒和发泡剂以重量比为1:0.01-0.4:0.01-0.1的比例充分混合。
作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)中的胶黏层涂布工艺是喷涂法、辊涂法、凹版涂膜法、棒涂法、刷涂法、刮刀法中的任意一种，步骤3)中的蜡的涂布工艺是喷涂法、辊涂法、凹版涂膜法、棒涂法、刷涂法和刮刀法中的任意一种。
作为进一步地改进，本发明所述的步骤2)中一边干燥成膜得到胶黏层，一边实现胶黏层结构的微孔发泡。
作为进一步地改进，本发明所述的蜡是植物蜡或者合成蜡，所述的植物蜡是虫白蜡、木蜡、杨梅蜡、中国蜡、羊毛蜡、日本蜡、米糠蜡、蜂蜡中的任意一种，合成蜡是费托蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、乙烯-醋酸乙烯共聚蜡、氧化聚乙烯蜡中的任意一种。
作为进一步地改进，本发明所述的步骤3)中，涂布蜡的定量为0.01-10g/m2。
作为进一步地改进，本发明所制得的表面具有荷叶仿生结构的新材料在疏水性实验中，接触角大于150°，滚动角小于10°。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供了一种具有疏水功能的新材料，是通过在基材层表面构建荷叶仿生结构制备而得，首先通过在胶黏层的制备中，将胶黏层原料与分散剂、发泡剂充分混合后涂布在基材表面，通过涂布发泡工艺后，得到改性基材，最后将蜡分散涂布在所得改性基材外表面后制备而得。本发明产品表面的粗糙结构与荷叶粗糙表面上具有的微纳米结构的乳突以及表面疏水的蜡质材料的结构基本类似，实现了荷叶仿生结构，因而具有良好的疏水功能。
2、本发明采用了将胶黏层原料与分散剂、发泡剂充分混合后涂布在基材表面，通过涂布发泡工艺后，得到改性基材胶黏层。本发明的这种工艺方法通过微孔发泡工艺构建了基材层表面的微纳米结构的乳突层，具有工艺简单，成本低廉的优点。
3、本发明采用了将蜡分散涂布在所得改性基材外表面后制备而得具有疏水功能的新材料。低表面能的防水的蜡质晶体在表面的存在使得本发明的产品具有优良的疏水性能。
4、本发明的材料性能优良，寿命长，这些表面改性结构并不影响材料本身的应用性能，可以广泛应用于密封容器结构、包装材料、管道、外部表面等领域。
附图说明
图1为一种具有疏水功能的新材料的结构示意图；
图中1为基材层，2为微孔发泡改性胶黏层，3为含蜡层。
具体实施方式
本发明公开了一种具有疏水功能的新材料，图1为一种具有疏水功能的新材料的结构示意图；图中，从下至上是基材层1、微孔发泡改性胶黏层2和分散涂布在微孔发泡改性胶黏层2上的含蜡层3。本发明下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步地的详细说明，但本发明的范围并不局限于实施例。
实施例1
基材采用蒸镀聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(VMPET)，在其PET面进行涂布处理。采用热密封胶聚氨酯TPU树脂胶粘剂，加入一定量的溶剂乙酸乙酯溶解完全后，加入一定量的分散剂二氧化硅和发泡剂碳酸氢钠进行充分混合，在室温下进行充分搅拌后静置后得到涂料。其中分散剂为二氧化硅微粒，粒径大小为12nm。发泡剂为碳酸氢钠，食品级。溶剂为乙酸乙酯，食品级。其中胶黏层原料、分散剂微粒、发泡剂和溶剂的重量比例为＝1:0.01:0.01：3。所得涂料粘度为1900cps。然后将所得涂料通过辊涂工艺涂布在基材表面上。
通过涂布干燥工艺后，一边干燥成膜得到胶黏层，一边实现胶黏层结构的微孔发泡。涂布在基材表面的通过150℃干燥30s，实现溶剂挥发和发泡剂发泡，获得精细结构，所得涂层定量为20g/m2。涂布后的基材，通过涂布发泡工艺后，在基材层1表面获得微孔发泡表面改性基材。
采用虫白蜡微粉(100目)，加热溶解在乙醇溶液中得到1％的蜡溶液。通过喷涂工艺喷涂在微孔发泡表面改性基材表面上，干燥后溶剂挥发后，涂布蜡的定量为0.01g/m2。从而获得表面具有荷叶仿生结构的新材料，在疏水性实验中，接触角为160°，滚动角为6°。
实施例2
基材采用聚乙烯薄膜(LDPE)，在其表面进行涂布处理。采用丙烯酸树脂胶粘剂产品，加入一定量的溶剂乙酸乙酯溶解完全后，加入一定量的分散剂二氧化钛和发泡剂偶氮二甲酰胺进行充分混合，在室温下进行充分搅拌后静置后得到涂料。其中分散剂为二氧化钛微粒，粒径大小为10微米。发泡剂为偶氮二甲酰胺，食品级。溶剂为乙酸乙酯，食品级。其中胶黏层原料、分散剂微粒、发泡剂和溶剂的重量比例为＝1:0.4:0.1：4。所得涂料粘度为1500cps。然后将所得涂料通过凹版涂膜工艺涂布在基材表面上。
通过涂布干燥工艺后，一边干燥成膜得到胶黏层，一边实现胶黏层结构的微孔发泡。涂布在基材表面的通过150℃干燥30s，实现溶剂挥发和发泡剂发泡，获得精细结构，所得涂层定量为40g/m2。涂布后的基材，通过涂布发泡工艺后，在基材层1表面获得微孔发泡表面改性基材。
采用聚乙烯蜡乳液(粒径小于1.0微米)，加热溶解在乙醇溶液中得到1％的蜡乳液。通过辊涂工艺涂布在微孔发泡表面改性基材表面上，干燥后溶剂挥发后，涂布蜡的定量为10g/m2。从而获得表面具有荷叶仿生结构的新材料，在疏水性实验中，接触角为152°，滚动角为8°。
实施例3
基材采用聚苯乙烯片材(PS)。采用热密封漆胶黏剂产品(聚酯树脂160重量份+丙烯酸树脂10重量份)，加入一定量的甲苯和丁酮的混合溶剂，溶解完全后，加入一定量的分散剂二氧化钛和发泡剂4，4’-氧化双苯磺酰肼进行充分混合，在室温下进行充分搅拌后静置后得到涂料。其中分散剂为二氧化钛微粒，粒径大小为1nm。发泡剂为4，4’-氧化双苯磺酰肼，食品级。其中胶黏层原料、分散剂微粒、发泡剂和溶剂的重量比例为＝1:0.04:0.03：5。所得涂料粘度为1000cps。然后将所得涂料通过喷涂工艺涂布在基材表面上。
通过涂布干燥工艺后，一边干燥成膜得到胶黏层，一边实现胶黏层结构的微孔发泡。涂布在基材表面的通过180℃干燥30s，实现溶剂挥发和发泡剂发泡，获得精细结构，所得涂层定量为25g/m2。涂布后的基材，通过涂布发泡工艺后，在基材层1表面获得微孔发泡表面改性基材。
采用日本蜡，加热熔融后得到蜡熔液。通过喷涂工艺喷涂在微孔发泡表面改性基材表面上，干燥后溶剂挥发后，涂布蜡的定量为1.0g/m2。从而获得表面具有荷叶仿生结构的新材料，在疏水性实验中，接触角为151°，滚动角为5°。实施例4
基材采用牛皮纸，定量为110g/m2。采用淀粉胶粘剂产品。糊化制备好的淀粉胶粘剂中，加入一定量的分散剂二氧化硅和发泡剂碳酸钠/柠檬酸进行充分混合，在室温下进行充分搅拌后静置后得到涂料。其中分散剂为二氧化硅微粒，粒径大小为100nm。发泡剂为碳酸钠/柠檬酸，食品级。其中胶黏层原料淀粉、分散剂微粒、发泡剂(碳酸钠/柠檬酸)和溶剂水的重量比例为＝1:0.08:0.0234(0.0106/0.0128)：6。所得涂料粘度为1000cps。然后将所得涂料通过棒涂法工艺涂布在牛皮纸基材表面上。
通过涂布干燥工艺后，一边干燥成膜得到胶黏层，一边实现胶黏层结构的微孔发泡。涂布在基材表面的通过180℃干燥20s，实现溶剂挥发和发泡剂发泡，获得精细结构，所得涂层定量为15g/m2。涂布后的基材，通过涂布发泡工艺后，在基材层1表面获得微孔发泡表面改性基材。
采用聚乙烯蜡分散体，固含量35％。通过刷涂法工艺刷涂在微孔发泡表面改性基材表面上，干燥后，涂布蜡的定量为0.3g/m2。从而获得表面具有荷叶仿生结构的新材料，在疏水性实验中，接触角为159°，滚动角为3°。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有疏水功能的新材料，其特征在于，所述的新材料的表面是荷叶仿生结构，包括从下至上的基材层、微孔发泡改性胶黏层和分散涂布在微孔发泡改性胶黏层上的含蜡层(3)。
2.一种如权利要求1所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的制备步骤如下：
1)将胶黏层原料和分散剂微粒、发泡剂以一定比例充分混合，以溶剂调节涂料的适当粘度，涂布在基材层表面；
2)涂布后的基材层，通过涂布发泡工艺后，在基材层表面获得微孔发泡改性胶黏层；
3)将蜡溶(熔)液或者蜡乳液或者蜡分散体通过涂布工艺涂布在所得微孔发泡改性胶黏层的表面构成含蜡层(3)，干燥后获得表面具有荷叶仿生结构的新材料。
3.根据权利要求2所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的分散剂为二氧化硅或二氧化钛微粒，其粒径大小为1nm-10μm。
4.根据权利要求2所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的发泡剂的成分是碳酸钠/柠檬酸、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸二异丙酯、偶氮二甲酸二乙酯、4，4’-氧化双苯磺酰肼中的任意一种。
5.根据权利要求2或3或4所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的胶黏层原料、分散剂微粒和发泡剂以重量比为1:0.01-0.4:0.01-0.1的比例充分混合。
6.根据权利要求2所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中的胶黏层涂布工艺是喷涂法、辊涂法、凹版涂膜法、棒涂法、刷涂法、刮刀法中的任意一种，步骤3)中的蜡的涂布工艺是喷涂法、辊涂法、凹版涂膜法、棒涂法、刷涂法和刮刀法中的任意一种。
7.根据权利要求2或6所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中一边干燥成膜得到胶黏层，一边实现胶黏层结构的微孔发泡。
8.根据权利要求2或6所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的蜡是植物蜡或者合成蜡，所述的植物蜡是虫白蜡、木蜡、杨梅蜡、中国蜡、羊毛蜡、日本蜡、米糠蜡、蜂蜡中的任意一种，合成蜡是费托蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、乙烯-醋酸乙烯共聚蜡、氧化聚乙烯蜡中的任意一种。
9.根据权利要求2或6所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，涂布蜡的定量为0.01-10g/m2。
10.根据权利要求3所述的具有疏水功能的新材料的制备方法，其特征在于，所制得的表面具有荷叶仿生结构的新材料在疏水性实验中，接触角大于150°，滚动角小于10°。
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