CN106675339A - 一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超疏水涂料制备技术领域，特别涉及一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法。本发明包括了环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备和环氧树脂超疏水涂层的制备等步骤。该环氧树脂超疏水涂料可作用于各种维度的固体基底，而且，借助于高强度的环氧树脂的存在，此环氧树脂超疏水涂层具有极高的机械稳定性，并且具有快速的摩擦引发的修复性能以应对各种极端的使用环境。值得一提的是，这种环氧树脂超疏水涂层的制备方法及其简单，通过一锅法将所有原料进行混合搅拌短时间内就可以形成。本发明制备工艺简单，原料易得，无毒环保，成本低廉，稳定性强，适合大面积制备。

Description

一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法
技术领域
本发明属于超疏水涂料制备技术领域，特别涉及一种可应用于各种固体基底实用型低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法。
背景技术
大自然一直是人类智慧的导师，向自然学习不但是人类发明新材料、新技术的重要手段，同时也促进着人类社会文明的进步。由此，仿生学成为了一项重要的科学分支。受自然界中的荷叶表面的启发，超疏水现象逐渐被人们所关注。超疏水表面——对水的接触角大于150°、滚动角小于10°——就是一个经典的例子。因为其具有很多独特优异的表面性能例如自清洁性、防腐、抗结冰、防雾等特性，使得其成为了一个热门的研究领域。通过大量的研究人员的研究发现，表面粗糙度和低表面能物质是超疏水表面两个决定性因素，人们也一直试图从此角度去构造各种人工超疏水表面。经过十多年的发展，超疏水制备领域发展已经相对成熟，但是它距离我们的实际生活的应用还尚远。这是因为在此领域有三大问题始终难以逾越：复杂的制备手段，难以大面积制备以及很弱的机械强，这使得超疏水研究进入到了一个瓶颈时期。
超疏水涂层是联系超疏水表面和人类生活最简单和直接的方式。它可以将各种基底走转化为超疏水表面并应用于各种生活用品中。然而上述的三大难题在超疏水涂层研究领域尤为明显和重要，这也是近段时期研究人员关注的重点。对于较弱的机械强度这个问题，目前科研界最主要的解决思路有两个：一是可修复涂层材料，二是“粘合剂+涂层”双层超疏水涂层。然而这两个方法要么需要一定的引发条件，或者是制备方法复杂，无法用于大面积制备，适用范围太小。显然，一种单层可快速修复的高强度可大面积制备的超疏水涂层是最适用于我们日常生活的。
发明内容
本发明的目的是提供一种实用型低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，解决超疏水涂层表面生产成本高、制备或涂层方式复杂、机械强度弱、不易大面积制备、应用范围窄等问题。利用简单的一锅法，得到了具有微-纳米结构的含有金属氧化物颗粒的环氧树脂超疏水悬浊液。借助于有超高粘附性的环氧树脂，实现了在各种固体基底上制备高强度的超疏水涂层。利用该金属颗粒低的堆积密度，其可以均匀的分散于环氧树脂的表面和内部。所以，该环氧树脂超疏水涂层可以承受任何程度的磨损。另外，此超疏水涂层在被极端条件破坏后，可以通过简单的摩擦方式使其超疏水性快速恢复。
本发明所采用的技术方案是：一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将一定比例的金属氧化物粉末A，金属氧化物粉末B和低表面能修饰剂加入到一定量丙酮的溶剂中，搅拌10～30分钟后，将一定质量的环氧树脂(E51)及其固化剂按一定比例加入该体系中，超声处理20～60分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料；
(2)环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤1中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，通过各种涂层技术涂抹到各种基底上，一定温度下固化干燥数小时后即可在各种基底上得到环氧树脂超疏水涂层。
如上所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属氧化物粉末A为P25。
如上所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属氧化物粉末B为MgO。
如上所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中低表面能修饰剂为硬脂酸。
如上所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属氧化物粉末A、金属氧化物粉末B、低表面能修饰剂和丙酮质量比范围为1:5:6:54到1:1:2:20。
如上所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中环氧树脂(E51)与丙酮质量比范围是1:15到1:30。
如上所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中环氧树脂(E51)与固化剂质量比是3:1。
如上所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(2)中固化温度和时间为70℃下5小时或者室温下24小时。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.工艺极其简单，利用一锅法将原料进行混合即可得到超疏水悬浊液，需要时间约为30到50分钟。
2.适用性广，可作用于各种固体基底，从一维线状基底到三维网络状基底都可行。
3.机械强度大，承受较大压力下30-40次的砂纸(1000cW)摩擦实验。化学稳定性好，可以承受温度范围0～110℃，pH为3～9的环境。
4.成本低廉，无毒无害。通过计算其成本约为3元/每平方米。
5.具有可修复性能。通过摩擦，可使其被破坏的表层脱落使其内部超疏水部分暴露，从而超疏水性恢复。
附图说明
图1为本发明实施例1所得玻璃基底环氧树脂超疏水涂层光学照片及不同体积水滴立于其表面。
图2为本发明实施例1所得玻璃基底环氧树脂超疏水涂层的水接触角(a)和滚动角(b)，其接触角约为152°，滚动角约为2°。
图3(a)为本发明实施例1所得玻璃基底环氧树脂超疏水涂层的低分辨率扫描电镜图。图3(b)为本发明实施例1所得玻璃基底环氧树脂超疏水涂层的高分辨率扫描电镜图。可以清楚的看到所得超疏水涂层具有良好的微纳米复合粗糙形貌。
图4为本发明实施例1所得玻璃基底环氧树脂超疏水涂层的砂纸摩擦实验相对应的接触角、滚动角折线图。
图5为本发明实施例2所得浸涂法得到的铜网环氧树脂超疏水涂层与表面水滴的光学照片。
图6为本发明实施例3所得玻璃基底环氧树脂超疏水涂层被1M氢氧化钠溶液破坏后水滴于表面的光学照片(a),和五次摩擦循环修复后水滴于表面的光学照片(b)。
图7为本发明实施例4所得喷涂法得到的布基底环氧树脂超疏水涂层与表面水滴的光学照片。
图8为本发明实施例5所得滴涂法大面积制备环氧树脂超疏水涂层的光学照片。
图9为本发明实施例6所得浸涂法得到的海绵布基底环氧树脂超疏水涂层与上表面(a)及侧面(b)水滴的光学照片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
实施例1
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将1.67g的金属氧化物粉末MgO，0.33g金属氧化物粉末P25和低表面能修饰剂2g硬脂酸加入到20mL丙酮的溶剂中。搅拌10分钟后，将1.2g的环氧树脂(E51)及其固化剂按3:1加入该体系中，超声处理20分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料。
(2)环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤A中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，用滴管通过滴涂技术涂抹到的玻璃基底上。在70℃下固化干燥5小时后即可在玻璃基底上得到环氧树脂超疏水涂层(见图1)，水滴以近乎完美的球形立于其表面。其对水的接触角为152°，滚动角约为2°，见图2。根据SEM照片所示(图3a)，得到的环氧树脂超疏水涂层表面具有微米级粗糙结构。根据图3b可见，其微米结构上复合有纳米粗糙结构。
(3)在机械强度摩擦实验中，将所得超疏水玻璃裁成2.5cm*2.5cm大小。在负重200g，在砂纸(1000Cw)上滑动10cm作为一个循环且每10个循环记录一次接触角和滚动角，其结果如图4所示。在三十个循环后，其接触角高于150°而滚动角约为依旧很小。
实施例2：
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将1g的金属氧化物粉末MgO，1g金属氧化物粉末P25和低表面能修饰剂2g硬脂酸加入到20mL丙酮的溶剂中。搅拌30分钟后，将1.2g的环氧树脂(E51)及其固化剂按3:1加入该体系中，超声处理20分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料。
(2)环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤A中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，将铜网浸入该超疏水悬浊液几秒钟后缓慢提取出。在70℃下固化干燥5小时后即可在铜网上得到环氧树脂超疏水涂层(见图5)，水滴同样可以近乎完美的球形立于其表面。
实施例3：
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将1.67g的金属氧化物粉末MgO，0.33g金属氧化物粉末P25和低表面能修饰剂2g硬脂酸加入到20mL丙酮的溶剂中。搅拌15分钟后，将1.2g的环氧树脂(E51)及其固化剂按3:1加入该体系中，超声处理60分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料。
(2)环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤A中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，用滴管通过滴涂技术涂抹到的玻璃基底上。在室温下固化干燥24小时后即可在玻璃基底上得到环氧树脂超疏水涂层。
(3)可修复实验：将所得到的带有超疏水涂层的玻璃基底浸入到1M氢氧化钠溶液中30秒后取出，该超疏水表面被破坏且对水接触角约为90°(见图6a)。经过五个循环的摩擦实验后，该涂层的超疏水性恢复且接触角值为154°(见图6b)。
实施例4：
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将1.67g的金属氧化物粉末MgO，0.33g金属氧化物粉末P25和低表面能修饰剂2g硬脂酸加入到20mL丙酮的溶剂中。搅拌15分钟，将1.2g的环氧树脂(E51)及其固化剂按3:1加入该体系中，超声处理20分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料。
(2)环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤A中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，并将其转移至喷瓶中。最后，将分散液喷至干净的布上，重复2～3次后将该布在70℃下固化干燥5小时，即可在布上得到环氧树脂超疏水涂层(见图7)，水滴同样可以近乎完美的球形立于其表面。
实施例5：
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将1.67g的金属氧化物粉末MgO，0.33g金属氧化物粉末P25和低表面能修饰剂2g硬脂酸加入到20mL丙酮的溶剂中。搅拌20分钟后，将1.2g的环氧树脂(E51)及其固化剂按3:1加入该体系中，超声处理20分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料。
(2)大面积环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤A中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，用滴管通过滴涂技术涂抹到的较大面积板子上(10cm*40cm)。在生室温下固化干燥24小时后即可在该板子上得到环氧树脂超疏水涂层(见图8)。涂层在其表面分散较为均一，外在美观。
实施例6：
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将1g的金属氧化物粉末MgO，1g金属氧化物粉末P25和低表面能修饰剂2g硬脂酸加入到20mL丙酮的溶剂中。搅拌30分钟后，将1.2g的环氧树脂(E51)及其固化剂按3:1加入该体系中，超声处理20分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料。
(2)环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤A中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，将海绵浸入该超疏水悬浊液几秒钟后缓慢提取出。在70℃下固化干燥5小时后即可在海绵上得到环氧树脂超疏水涂层，水滴同样可以近乎完美的球形立于其上表面(见图9a)和侧面(见图9b)。
该环氧树脂超疏水涂料可作用于各种维度的固体基底，例如一维的金属丝，二维的铜网、玻璃以及三维的海绵等都可以被涂成疏水态(对水的接触角均大于150°)。而且，借助于高强度的环氧树脂的存在，此环氧树脂超疏水涂层具有极高的机械稳定性，可以承受一定大小的水柱的长达一分钟的冲击及高压力下几十次砂纸的摩擦，并且具有快速的摩擦引发的修复性能以应对各种极端的使用环境。值得一提的是，这种环氧树脂超疏水涂层的制备方法及其简单，通过一锅法将所有原料进行混合搅拌短时间内就可以形成。并且，所选用的原料都易得、无毒和廉价。环氧树脂超疏水涂层不但易于大面积制备并且可以在正常环境中长时间储存。本发明制备工艺简单，原料易得，无毒环保，成本低廉，稳定性强，适合大面积制备。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)环氧树脂超疏水悬浊液涂料的制备：将一定比例的金属氧化物粉末A，金属氧化物粉末B和低表面能修饰剂加入到一定量丙酮的溶剂中，搅拌10～30分钟后，将一定质量的环氧树脂(E51)及其固化剂按一定比例加入该体系中，超声处理20～60分钟后继续搅拌即得到环氧树脂超疏水悬浊液涂料；
(2)环氧树脂超疏水涂层的制备：将步骤1中所得的环氧树脂超疏水悬浊液涂料，通过各种涂层技术涂抹到各种基底上，一定温度下固化干燥数小时后即可在各种基底上得到环氧树脂超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属氧化物粉末A为P25。
3.根据权利要求1或2所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属氧化物粉末B为MgO。
4.根据权利要求1所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中低表面能修饰剂为硬脂酸。
5.根据权利要求1所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属氧化物粉末A、金属氧化物粉末B、低表面能修饰剂和丙酮质量比范围为1:5:6:54到1:1:2:20。
6.根据权利要求1所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中环氧树脂(E51)与丙酮质量比范围是1:15到1:30。
7.根据权利要求1所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(1)中环氧树脂(E51)与固化剂质量比是3:1。
8.根据权利要求1所述的一种低成本高强度可修复超疏水涂层的简单制备方法，其特征在于：步骤(2)中固化温度和时间为70℃下5小时或者室温下24小时。
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