CN106085113A - 一种超疏水耐磨表面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超疏水材料领域，具体是一种超疏水耐磨表面及其制备方法。该制备方法是有机疏水物质溶于溶剂后加入纳米介孔材料，分散均匀后涂于基材表面，通过烘干的方式去除溶剂后再加热使得交联固化，冷却后得到超疏水耐磨表面。本方法工艺简单、操作方便、重复性好、无需复杂的化学处理，所得表面疏水性好（与水的接触角大于150°）、能大面积使用，在表面防水、自清洁等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种超疏水耐磨表面及其制备方法
技术领域
本发明涉及超疏水材料领域，具体是一种超疏水耐磨表面及其制备方法。
背景技术
自从Barthlott首次报道荷叶表面的微观结构以来，材料研究者对超疏水表面的研究产生了极大兴趣。超疏水表面是指对水的静态接触角在150°以上、滚动角在10°以下的表面。研究表明: 通过在材料表面构筑微米结构与纳米结构相结合的二元复合结构，可使材料表面润湿性能发生显著改观。目前，虽然超疏水材料在防水、自清洁、防腐蚀、抗粘附和减阻降噪音等方面呈现出了优异的性能以及巨大的应用价值，但超疏水材料并没有真正取得广泛的实际应用，其主要原因是因为为人工制备的超疏水表面不同于自然界中的超疏水表面。大多数人工制备的超疏水表面均采用在亲水的微纳米复合结构上涂覆疏水性薄膜以产生超疏水性能的方法。这种超疏水表面的微纳米复合结构很容易在表面受到机械摩擦时被破坏，使材料内部的亲水性结构暴露出来，从而使得表面部分或者全部丧失超疏水性。因此，制备一种具有优异耐磨性的超疏水表面十分必要。
发明内容
本发明为了解决现有大多数人工制备的超疏水表面耐磨性差的问题，提供了一种基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种超疏水耐磨表面，其原料是由纳米介孔材料和有机疏水物质构成的，纳米介孔粒子赋予超疏水表面所需要的微纳米两级结构，使表面具有超疏水性；利用纳米介孔粒子本身的刚性以及有机疏水物质穿插在介孔中形成的有机无机互穿网络，有机疏水物质与纳米介孔粒子间具备更多的物理连接，使得超疏水表面具有耐磨性。
本发明在具有低表面能的有机疏水物质中填充纳米尺度的介孔粒子，赋予超疏水表面所需要的微纳两级结构，使表面具有超疏水性，同时，利用介孔粒子本身的刚性以及有机疏水物质穿插在介孔中形成的有机无机互穿网络，构成整体材料以抵抗表面磨损而产生的损耗，制备了基体与介孔粒子间同时存在化学、物理连接的高耐磨性超疏水表面。由于介孔材料具有自相似性，即使其被磨损后，依然具有超疏水的表面。
另外，本发明基于上述超疏水耐磨表面的机理，提供了其制备方法，该制备方法是有机疏水物质溶于溶剂后加入纳米介孔材料，分散均匀后涂于基材表面，通过烘干的方式去除溶剂后再加热使得交联固化，冷却后得到超疏水耐磨表面。
此外，本方法工艺简单、操作方便、重复性好、无需复杂的化学处理，所得表面疏水性好（与水的接触角大于150°）、能大面积使用，在表面防水、自清洁等领域具有广阔的应用前景。
具体实施时，所述有机疏水物质为双酚A苯并噁嗪、双酚AF苯并噁嗪、MDA型苯并噁嗪、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂低表面能有机物中的一种。
进一步，所述纳米介孔材料是有机疏水物质质量的5%-100%。本发明所述超疏水表面由纳米尺度的介孔材料和具有低表面能的有机疏水物质组成，两者的质量比为5-100：100。具体应用时当有机疏水物质为100质量份时，纳米尺度的介孔材料含量小于5质量份，会使表面达不到超疏水状态（水的接触角小于150o）；纳米尺度的介孔材料含量大于100质量份时，表面虽然会达到超疏水状态，但是耐磨性能会急剧下降（手指轻微压捏会使表面形貌破损）。
根据材料特性，优选的，所述烘干的条件为100℃-140℃保持1-2小时，交联固化的条件为160℃-240℃保持1-3小时。
进一步，所述纳米介孔材料为纳米介孔SiO2、纳米介孔TiO2、纳米介孔MnO2中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
优选的，所用的溶剂为四氢呋喃、甲苯、丙酮、氯仿中的一种。
优选的，所述基材为玻璃板、载玻片、硅片中的一种。
附图说明
图1是实施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦前的扫描电镜（SEM）图。
图2是实施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦后的扫描电镜（SEM）图。与图1对比，可以看出摩擦后，表面形貌虽然变的平整，但依然具有微纳两级结构，表面依然具有超疏水性。
图3是实施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦前的静态水接触角图。
图4是实施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦后的静态水接触角图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于以下实施例。
实施例1
将100质量份双酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氢呋喃中，加入5质量份的 SBA-15，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用喷涂的方法使分散液均匀的喷涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，100℃保持2小时去除溶剂，200℃交联固化2小时，冷却后得到一种基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为153.6°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为158.5°。
实施例2
将100质量份双酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氢呋喃中，加入25质量份的 SBA-16，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用喷涂的方法使分散液均匀的喷涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，110℃保持2小时去除溶剂，220℃交联固化1.5小时，冷却后得到一种基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为170.7°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为168.0°。
实施例3
将100质量份双酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氢呋喃中，加入100质量份的 SBA-15，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用喷涂的方法使分散液均匀的喷涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，120℃保持1.5小时去除溶剂，240℃交联固化1小时，冷却后得到一种基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为165.3°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为165.6°。
实施例4
将100质量份双酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氢呋喃中，加入25质量份的纳米介孔TiO2，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用旋涂的方法，在1500rpm条件下使分散液旋涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，130℃保持1.5小时去除溶剂，160℃交联固化3小时，冷却后得到一种基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为168.9°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为168.3°。
实施例5
将100质量份双酚AF苯并噁嗪溶解于一定量的甲苯中，加入50质量份的纳米介孔MnO2，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用旋涂的方法，在1500rpm条件下使分散液旋涂于硅片上，将材料放入烘箱中，140℃保持1小时去除溶剂，180℃交联固化2.5小时，冷却后得到一种基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为170.9°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为167.3°。
实施例6
将100质量份双酚A苯并噁嗪溶解于一定量的丙酮中，加入75质量份的MCM-41与纳米介孔TiO2的混合物（质量比1:2），充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用旋涂的方法，在1500rpm条件下使分散液旋涂于载玻片上，将材料放入烘箱中， 140℃保持1小时去除溶剂，180℃交联固化2.5小时，冷却后得到一种基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为171.5°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为165.4°。
实施例7
将100质量份双酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氢呋喃中，加入3质量份的 MCM-41，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用喷涂的方法使分散液均匀的喷涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，100℃保持2小时去除溶剂，200℃交联固化2小时，冷却后得到一种疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为139.0°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为121.7°。
实施例8
将100质量份双酚AF苯并噁嗪溶解于一定量的四氢呋喃中，加入120质量份的 MCM-41，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用喷涂的方法使分散液均匀的喷涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，100℃保持2小时去除溶剂，200℃交联固化2小时，冷却后得到一种超疏水涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为171.1°；手指轻捏后，表面大量粒子脱落。将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为152.3°。
实施例9
将100质量份环氧树脂溶解于一定量的丙酮中，加入25质量份的纳米介孔TiO2，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用旋涂的方法，在1500rpm条件下使分散液旋涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，100℃保持1小时去除溶剂，200℃交联固化3小时，冷却后得到一种基于环氧树脂/介孔材料的超疏水耐磨涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为151.2°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为150.3°。
实施例10
将100质量份双马来酰亚胺溶解于一定量的氯仿中，加入50质量份的纳米介孔MCM-41，充分搅拌、超声，得到均匀的分散液；采用旋涂的方法，在1500rpm条件下使分散液旋涂于玻璃上，将材料放入烘箱中，140℃保持2小时去除溶剂，240℃交联固化2小时，冷却后得到一种基于双马来酰亚胺/介孔材料的超疏水耐磨涂层。测试涂层的疏水性，与水的静接触角均值为166.7°；将涂层表面放到100目的砂纸上，在100g砝码的压力下水平匀速移动25cm，测试摩擦后涂层的疏水性，与水的静接触角均值为165.1°。

Claims (8)

1.一种超疏水耐磨表面，其特征在于，其原料是由纳米介孔材料和有机疏水物质构成的，纳米介孔粒子赋予超疏水表面所需要的微纳米两级结构，使表面具有超疏水性；利用纳米介孔粒子本身的刚性以及有机疏水物质穿插在介孔中形成的有机无机互穿网络，有机疏水物质与纳米介孔粒子间具备更多的物理连接，使得超疏水表面具有耐磨性。
2.一种超疏水耐磨表面的制备方法，其特征在于，采用的是权利要求1所述的原料，该制备方法是有机疏水物质溶于溶剂后加入纳米介孔材料，分散均匀后涂于基材表面，通过烘干的方式去除溶剂后再加热使得交联固化，冷却后得到超疏水耐磨表面。
3.根据权利要求2所述的超疏水耐磨表面的制备方法，其特征在于，所述有机疏水物质为双酚A苯并噁嗪、双酚AF苯并噁嗪、MDA型苯并噁嗪、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂低表面能有机物中的一种。
4.根据权利要求3所述的超疏水耐磨表面的制备方法，其特征在于，所述纳米介孔材料是有机疏水物质质量的5%-100%。
5.根据权利要求2或3或4所述的超疏水耐磨表面的制备方法，其特征在于，所述烘干的条件为100℃-140℃保持1-2小时，交联固化的条件为160℃-240℃保持1-3小时。
6.根据权利要求5所述的超疏水耐磨表面的制备方法，其特征在于，所述纳米介孔材料为纳米介孔SiO2、纳米介孔TiO2、纳米介孔MnO2中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
7.根据权利要求6所述的超疏水耐磨表面的制备方法，其特征在于，所用的溶剂为四氢呋喃、甲苯、丙酮、氯仿中的一种。
8.根据权利要求7所述的超疏水耐磨表面的制备方法，其特征在于，所述基材为玻璃板、载玻片、硅片中的一种。
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