CN106676451B - 一种超疏水功能粉芯丝材及其在制备超疏水功能涂层中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超疏水功能粉芯丝材，包括粉芯材料和包覆所述粉芯材料的金属丝材外衣，所述的粉芯材料由金属粉芯材料和高分子粉芯材料混合得到；所述的金属粉芯材料选自金属铝、铜、镍、铬或至少两种所述的金属组成的合金中的至少一种；所述的高分子粉芯材料选自聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯‑四氟乙烯共聚物、乙烯‑三氟氯乙烯共聚物、聚氟乙烯、氟碳树脂、聚氨酯中的至少一种。本发明还公开了以所述的超疏水功能粉芯丝材为原料，经热喷涂技术制备得到的超疏水功能涂层，该涂层具有极佳的超疏水性能及抗腐蚀性，在自清洁、海洋防污、抗玷污等领域具有较好的应用前景。

Description

一种超疏水功能粉芯丝材及其在制备超疏水功能涂层中的 应用

技术领域

本发明涉及超疏水功能涂层的技术领域，具体涉及一种超疏水功能粉芯丝材及其在制备超疏水功能涂层中的应用。

背景技术

超疏水现象是指表面与水接触角大于150°，滚动角小于10°。由于超疏水表面具有特殊的润湿特性，使其在工业装置和建筑物的自清洁、高压电气设备的自清洁与防闪络、生物医学和仿生材料应用、管道防水与抗腐蚀、减阻节能、电力输送塔架和电缆在冬季防冰雪等许多方面都有潜在应用前景。正是由于有如此的需求，因此研究新型超疏水材料及其涂层制备方法和应用极为重要，也引起了研究人员的极大兴趣。

研究发现，固体表面的润湿性能由其表面的化学组成和微观几何结构决定，表面粗糙结构和表面化学组成是超疏水性的必要条件，由于两者的低机械稳定性限制了超疏水表面在实际中的应用。目前，实现超疏水特性的表面技术很多，但工艺较复杂，同时也难以实现超疏水表面的大面积制备，无法实现工业化应用，因此找到一种操作方便，工艺简单，重复性好、能大面积制备并利于工业化应用的超疏水功能涂层及其制备技术仍然是此领域亟待解决的一个问题。

热喷涂技术是一种常用的材料表面处理技术，采用热喷涂方法可以在金属表面制备出具备各种功能的表面涂层，如耐蚀、耐磨、绝缘、超硬等性能，且热喷涂具有不受工件尺寸和施工场所的限制、沉积效率较高以及对基体材料的热影响小的特点，适合涂层的大规模产业化制备。其中，利用粉芯丝材制备涂层的电弧喷涂、丝材火焰喷涂技术是热喷涂功能涂层的重要发展方向。

如公开号为CN103924182A的中国专利文献公开了一种含稀土镍基粉芯丝材、涂层的制备与应用，公开的粉芯成分质量百分比为：纯金属铬粉30-35％，镍硼粉10-31％，稀土0.1-0.3％，镍为余量；粉芯丝材外皮所用带材为80Ni-20Cr带；粉芯丝材填充率32％。

又如公开号为CN104032251A的中国专利文献公开了一种粉芯丝材及其制备方法和应用，粉芯丝材由不锈钢带包覆粉芯制成，粉芯成分由其中元素粉末混合而成，其质量百分比含量范围如下：30-50％Cr、2-10％B、1-5％Al、1-5％Si、3-15％Nb、2-10％Mo、余量为Fe，粉芯外皮选用不锈钢带，粉芯与不锈钢带的重量比为0.43-0.67：1。

目前采用的粉芯丝材均采用金属材料，通过开发新型粉芯丝材，对未来开发多功能涂层具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种新型的超疏水功能粉芯丝材，并利用热喷涂技术制备得到超疏水功能涂层，该涂层具有极佳的超疏水性能及抗腐蚀性，在自清洁、海洋防污、抗玷污等领域具有较好的应用前景。

具体技术方案如下：

一种超疏水功能粉芯丝材，包括粉芯材料和包覆所述粉芯材料的金属丝材外衣，所述的粉芯材料由金属粉芯材料和高分子粉芯材料混合得到；

所述的金属粉芯材料选自金属铝、铜、镍、铬或至少两种所述的金属组成的合金中的至少一种；

所述的高分子粉芯材料选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚氟乙烯(PVF)、氟碳树脂、聚氨酯中的至少一种。

为实现超疏水功能，本发明中选择的高分子粉芯材料均为疏水性极佳的高分子材料，而与高分子粉芯材料相匹配的金属粉芯材料需要具有合适的熔点。熔点过高会导致热喷涂过程中导热过快，引起高分子粉芯材料的碳化；熔点过低又会导致热喷涂过程中高分子粉芯材料出现团聚，从而影响涂层的最终性能。

作为优选，所述的金属粉芯材料与高分子粉芯材料的质量比为0.25～9。热喷涂过程中通过金属粉芯材料的熔化产生热量，优选的质量比下，可以使高分子粉芯材料受热均匀，在涂层中分布均匀，且不过分受热而发生碳化。

进一步优选，所述金属粉芯材料的颗粒尺寸为40～200μm，高分子粉芯材料的颗粒尺寸为10～60μm。金属粉芯与高分子粉芯颗粒尺寸的合理搭配，有利于高分子材料在喷涂过程中不过热而碳化，且能充分保持其功能性如低表面能特性。

再优选，所述金属粉芯材料与高分子粉芯材料的质量比为1～4；金属粉芯材料的颗粒尺寸大于高分子粉芯材料的颗粒尺寸。优选条件下，高分子粉芯材料在混合粉芯中与金属粉芯材料充分接触，受热更为均匀，利于喷涂过程中高分子材料功能的维持。

作为优选，所述的金属丝材外衣为金属带材，选自纯镍带材、镍合金带材、不锈钢带材、铸铁带材、铝带材、铝合金带材、铜带材或铜合金带材；

所述金属带材的宽度为8～12mm，厚度为0.2～0.3mm。

进一步优选，所述粉芯材料与金属丝材外衣的质量比为5～25:100。通过控制粉芯材料与金属丝材外衣质量比，即包粉率，有利于调控粉芯丝材的致密程度，粉芯丝材合适的致密度有利于粉芯在喷涂过程中的充分熔融。包粉率过低，喷涂过程中粉芯易被吹散，不能沉积到涂层上；包粉率过高则会导致丝材拉拔过程中丝材断裂。

本发明还公开了一种超疏水功能涂层的制备方法，以上述的超疏水功能粉芯丝材为原料，具体步骤如下：

(1)、将金属材料粉芯与高分子材料粉芯混合并烘干得到粉芯材料，再包覆金属丝材外衣，得到粉芯丝材；

(2)采用热喷涂技术，将步骤(1)得到的粉芯丝材喷涂在预处理的基体表面，得到超疏水功能涂层。

作为优选，步骤(1)中，所述粉芯丝材的直径为1～3mm。

作为优选，步骤(2)中，所述的基材选自金属、陶瓷、玻璃或塑料；基材的预处理包括清洗、除油除锈和表面粗化。

所述表面粗化方法为喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。

作为优选，步骤(2)中，所述的热喷涂包括电弧喷涂、超音速电弧喷涂或丝材火焰喷涂。

进一步优选，所述的热喷涂为超音速电弧喷涂，喷涂电流为100～400A，喷涂电压为20～50V，压缩空气压力为0.4～1MPa，喷涂距离为100～300mm，电弧枪移动速度为10～300mm，喷涂遍数为2～10次。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优势：

1、本发明提供了一种新型的粉芯丝材，其中的粉芯材料由具有疏水功能的高分子粉芯材料匹配特定种类的金属粉芯材料组成，经热喷涂工艺制备的超疏水涂层，接触角大于150°，具有良好的自清洁性，以及极佳的抗腐蚀性，可应用于多种工业零部件外表面和管道内壁等需要自清洁、海洋防污、抗玷污等各种场合；

2、本发明中采用的热喷涂工艺，工艺简单，效率高，可以在非平面复杂结构基底上大面积的制备涂层，且涂层与基体结合良好，适合现场施工，成本低。

附图说明

图1是本发明基体表面的超疏水功能涂层剖面结构示意图；

1-高分子粉芯材料，2-金属粉芯材料，3-基体；

图2为实施例1制备的超疏水功能涂层表面及断面扫描电镜图；(a)表面微结构；(b)断面形貌；

图3为实施例1制备的超疏水功能涂层表面接触角测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述:

为表征本发明中一种超疏水功能涂层的性能，利用场发射扫描电镜(FESEM)、盐雾试验箱、接触角测试仪等对制备获得的涂层样品进行表征，以下是具体的性能检测方法。

(1)形貌观察：

表面微观形貌观察：将制备的样品置于去离子水溶液中超声处理30min，然后80℃烘干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其表面微观形貌。断面微观形貌观察：将制备的样品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨、抛光，然后置于去离子水溶液中超声处理5min，吹干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其断面微观形貌。

(2)盐雾试验检测方法：

根据标准ISO 9227：1990《人造气氛腐蚀试验-盐雾试验》进行。根据标准要求，试验采用去离子水配制的化学纯NaCl溶液，浓度为50g/L±5g/L，用盐酸或氢氧化钠调整溶液pH值，确保其范围在6.7～7.2之间。在25℃时，溶液的密度在1.0255～1.0400范围内。盐雾试验样品的尺寸为30mm×20mm×3mm，盐雾试验程序如下：

(a)将喷涂上本发明的超疏水功能涂层样品和未喷涂复合涂层的样品先用洗涤剂清洗，再用清水泡洗，最后放入无水乙醇中用超声波清洗仪清洗，四周采用热胶封边；(b)将实验样品取出来风干1小时，然后用流动清水冲洗，最后用吹风机将其吹干；(c)将试样放置在角度为45°的标准塑料支架上；(d)盐雾试验周期依据所检测样品确定，中间检查为12小时一次，样品取出频率与试验周期相同；(e)盐雾箱内温度为35℃±2℃，喷雾空气压力为1kgf/cm²，通过调节盐雾沉降的速度，经24h喷雾后每80cm²面积上为1～2ml/h；(f)利用数码相机对盐雾试验样品进行腐蚀形貌观察。

(3)接触角测试：

利用接触角测试仪对涂层样品进行表面的水接触角测试，以考察其超疏水功能。

实施例1：

本实施例中，基体材料为316L不锈钢，涂层与基体结合力良好，涂层厚度为250μm。该超疏水功能涂层的具体制备方法：

(1)粉芯丝材制备：粉芯丝材外衣为316L不锈钢，钢带宽度为12mm，厚度0.3mm，粉芯为金属纯铝与聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金属纯铝尺寸为40～60μm，聚四氟乙烯粉末为12μm，金属纯铝与聚四氟乙烯的质量比为6:4，粉芯丝材尺寸为直径2mm，包粉率10wt.％。

(2)涂层制备：采用超音速电弧喷涂工艺制备，具体喷涂参数为：电流120A，电压40V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为200mm，电弧枪移动速度25mm/s，喷涂遍数3遍。

(3)涂层性能表征：涂层表面微结构可观察到高分子聚四氟乙烯材料与金属材料在涂层中形成互锁，聚四氟乙烯均匀分布于涂层中(图2所示)，涂层厚度为250μm；涂层接触角150.3°，实现了超疏水功能(图3所示)。

对比例：

本对比例中，基体材料为铸铁，涂层与基体结合力较差，涂层厚度为300μm。对比例具体制备参数如下：

(1)粉芯丝材制备：粉芯丝材外衣为316L不锈钢，钢带宽度为12mm，厚度0.3mm，粉芯为金属纯铝与聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金属纯铝尺寸为20μm，聚四氟乙烯粉末为80μm，金属纯铝与聚四氟乙烯的质量比为6:4，粉芯丝材尺寸为直径2mm，包粉率10wt.％。

(2)涂层制备：采用超音速电弧喷涂工艺制备，具体喷涂参数为：电流120A，电压40V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为200mm，电弧枪移动速度25mm/s，喷涂遍数3遍。

(3)涂层性能表征：涂层表面可观察到未充分熔融的高分子聚四氟乙烯材料，涂层表面均匀性较差；涂层接触角83°，未能实现超疏水功能。

实施例2：

本实施例中，基体材料为铸铁，涂层与基体结合力良好，涂层厚度为300μm。该超疏水功能涂层的具体制备方法：

(1)粉芯丝材制备：粉芯丝材外衣为纯铝，铝带宽度为8mm，厚度0.3mm，粉芯为金属纯铝与聚全氟乙丙烯的混合粉末，其中，金属纯铝尺寸为40～60μm，聚全氟乙丙烯粉末为5～10μm，金属纯铝与聚全氟乙丙烯的质量比为5:5，粉芯丝材尺寸为直径2mm，包粉率15wt.％。

(2)涂层制备：采用超音速电弧喷涂工艺制备，具体喷涂参数为：电流100A，电压38V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为250mm，电弧枪移动速度25mm/s，喷涂遍数4遍。

(3)涂层性能表征：涂层表面微结构可观察到高分子聚全氟乙丙烯材料与金属材料在涂层中形成互锁，聚全氟乙丙烯均匀分布于涂层中；涂层接触角151.5°，实现了超疏水功能；盐雾试验表明，具备该超疏水涂层的样品可耐中性盐雾试验800小时，且未发生基体腐蚀现象。

实施例3：

本实施例中，基体材料为铸铁，涂层与基体结合力良好，涂层厚度为300μm。该超疏水功能涂层的具体制备方法：

(1)粉芯丝材制备：粉芯丝材外衣为镍铬合金带材，带材宽度为12mm，厚度0.3mm，粉芯为金属镍铬合金粉末与聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金属镍铬合金粉末为40～60μm，聚四氟乙烯粉末为25μm，金属镍铬合金粉末与聚四氟乙烯的质量比为8:2，粉芯丝材尺寸为直径2mm，包粉率25wt.％。

(2)涂层制备：采用超音速电弧喷涂工艺制备，具体喷涂参数为：电流150A，电压40V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为300mm，电弧枪移动速度50mm/s，喷涂遍数5遍。

(3)涂层性能表征：涂层表面微结构可观察到高分子聚四氟乙烯材料与金属材料在涂层中形成互锁，且均匀分布于涂层中；涂层接触角153.5°，实现了超疏水功能；盐雾试验表明，具备该超疏水涂层的样品可耐中性盐雾试验800小时，且未发生基体腐蚀现象。

实施例4：

本实施例中，基体材料为铸铁，涂层与基体结合力良好，涂层厚度为300μm。该超疏水功能涂层的具体制备方法：

(1)粉芯丝材制备：粉芯丝材外衣为镍铬合金带材，带材宽度为12mm，厚度0.3mm，粉芯为金属镍铬合金粉末、纯铝与聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金属镍铬合金粉末为40～60μm，纯铝粉末为40～60μm，聚四氟乙烯粉末为25μm，金属镍铬合金粉末、纯铝与聚四氟乙烯的质量比为3:4:3，粉芯丝材尺寸为直径2mm，包粉率22.3wt.％。

(2)涂层制备：采用超音速电弧喷涂工艺制备，具体喷涂参数为：电流120A，电压40V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为300mm，电弧枪移动速度25mm/s，喷涂遍数4遍。

(3)涂层性能表征：涂层表面微结构可观察到高分子聚四氟乙烯材料与金属镍铬或铝材料在涂层中形成互锁，且均匀分布于涂层中；涂层接触角151.5°，实现了超疏水功能；盐雾试验表明，具备该超疏水涂层的样品可耐中性盐雾试验800小时，且未发生基体腐蚀现象。

Claims (5)

1.一种超疏水功能涂层的制备方法，其特征在于，以超疏水功能粉芯丝材为原料，采用热喷涂技术制备；

所述超疏水功能粉芯丝材包括粉芯材料和包覆所述粉芯材料的金属丝材外衣，所述的粉芯材料由金属粉芯材料和高分子粉芯材料混合得到；

所述的金属粉芯材料选自金属铝、铜、镍、铬或至少两种所述的金属组成的合金中的至少一种；

所述的高分子粉芯材料选自聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、聚氟乙烯、氟碳树脂、聚氨酯中的至少一种；

所述的金属粉芯材料与高分子粉芯材料的质量比为0.25～9；

所述金属粉芯材料的颗粒尺寸为40～200μm，高分子粉芯材料的颗粒尺寸为10～60μm，金属粉芯材料的颗粒尺寸大于高分子粉芯材料的颗粒尺寸；

所述粉芯材料与金属丝材外衣的质量比为5～25:100；

所述粉芯丝材的直径为1～3mm；

所述的热喷涂为电弧喷涂。

2.根据权利要求1所述的超疏水功能涂层的制备方法，其特征在于，所述的金属丝材外衣为金属带材，选自纯镍带材、镍合金带材、不锈钢带材、铸铁带材、铝带材、铝合金带材、铜带材或铜合金带材；

所述金属带材的宽度为8～12mm，厚度为0.2～0.3mm。

3.根据权利要求1所述的超疏水功能涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、将金属粉芯材料与高分子粉芯材料混合并烘干得到粉芯材料，再包覆金属丝材外衣，得到粉芯丝材；

(2)采用热喷涂技术，将步骤(1)得到的粉芯丝材喷涂在预处理的基体表面，得到超疏水功能涂层。

4.根据权利要求3所述的超疏水功能涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的基体选自金属、陶瓷、玻璃或塑料；

基体的预处理包括清洗、除油除锈和表面粗化。

5.根据权利要求1所述的超疏水功能涂层的制备方法，其特征在于，所述的热喷涂为超音速电弧喷涂，喷涂电流为100～400A，喷涂电压为20～50V，压缩空气压力为0.4～1MPa，喷涂距离为100～300mm，电弧枪移动速度为10～300mm，喷涂遍数为2～10次。

Images