CN106752255A - 一种材料表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种材料及设施表面防护用超疏水喷剂及其制备和使用方法，所述超疏水喷剂为低粘度液体，由纳米结构和微米结构粒子与疏水物质经过化学反应而制成。通过喷涂工艺可在需要防护的基材表面形成一层超疏水薄膜，该薄膜具有类似于荷叶表面的微米‑纳米复合二元结构，与水的接触角不小于150°，滚动角小于10°，具有极好的疏水性能。本发明提供的超疏水喷剂成本低，材料及工艺环保，制作、喷涂工艺简便，不受基材或设施形状和结构的限制，易于实现工业化，防护效果耐久性好。可广泛应用于混凝土、金属、玻璃等材质基材表面的疏水化防护，可使基材表面呈现优异憎水效果，同时还具有自清洁防污、耐腐蚀、抑制冰霜凝结等功能。

Description

一种材料表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法

技术领域

本发明涉及混凝土、金属、玻璃、石材、纺织品、塑料、木材等材质基材表面疏水化防护，应用范围是交通设施、建筑物、交通工具、织物等。具体是一种材料及设施表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法。

背景技术

在大气、阳光、酸雨、盐雾、高低温等物理或化学因素作用下，混凝土、金属、玻璃、石材、纺织品、塑料、木材等材质设施在使用过程中会出现这样那样的问题。如金属表面会被腐蚀而出现锈蚀，混凝土、石材在水分及高低温变化、碱酸作用下容易被侵蚀而出现风化开裂，玻璃表面会结雾、结霜，纺织品表面会吸附大量污染物，木材易吸潮发生湿胀、变形和霉变，电线等在低温下表面容易结冰，等等。这些现象给人们的日常生活和工作造成了很大困扰，对工程及设备的正常运营和安全生产造成了极大威胁。为改善工作和生活环境，减少资源和能源的浪费，提高相关设施及工程的耐久性，许多科研机构投入了大量的人力、物力、财力研发表面防护材料来解决这些难题和实际问题。

超疏水材料凭借其能够有效抑制材料表面氧化、腐蚀、污染物附着、结冰结霜和减少材料表面电流传导等而备受人们的关注，这些特殊的性能使其在建筑物、轮船、电气设备、洁具、卫星天线、电缆、玻璃等的表面防护方面具有很大的应用价值。研究发现，超疏水特性是由材料的表面微结构和材料的表面化学组成共同决定的。采用刻蚀法、溶胶-凝胶法、气相沉积法、电化学法、异相成核法、等离子体处理法、交替沉积法、模版法、自组装法、溶剂-非溶剂法等方法，在混凝土、金属、玻璃、石材、纺织品、塑料、木材等材质基材表面构建牢固的超疏水涂层，可以阻止这些材料与水分及有害物质接触，从而便可对这些基材进行保护和防护，最终可以提高相关基材的耐久性、延长使用寿命，并赋予这些材料及相应设施具有防水、耐腐蚀、防污自清洁、防结冰结霜等性能。

公开号为CN101935834A、CN101007304A的专利通过沸水或硝酸及其铜-镍盐对铝材进行处理再辅以疏水化修饰，得到超疏水的铝及铝合金表面。该方法仅局限于铝制品表面的超疏水修饰。

公开号为CN101649152A、CN101307210A、CN101157809、CN101117713、CN101205439A的专利和美国专利US6068911等通过将EVA、硅丙乳液或聚四氟乙烯粉等聚合物与正硅酸乙酯、无机纳米粒子、硅烷偶联剂等在酸性或碱性催化剂作用下，经过复杂工艺制备得到超疏水涂层。

公开号为CN101734945、CN103923561、CN104231916A、CN102795786A、CN104650725的专利利用有机硅、表面改性纳米粒子、石墨烯等制得防护剂，其涂膜对水的接触角提升小、憎水效果欠佳或防护时间短、应用于工程时实用性受限。

然而，现有的这些方法或多或少存在以下一些问题：(1)使用昂贵的材料(如表面极低的氟聚合物等)或设备，成本高，实际利用价值低；(2)用到有毒的溶剂(如甲苯、二甲苯等)，不利于施工及环保应用要求；(3)在防护剂应用前需要对基材表面进行打磨、抛光、清洗等繁琐处理；(4)难以达到优异的憎水效果或超疏水涂层附着不牢，在外力作用下容易破坏、防护时间短；(5)需要复杂的制备工艺，很难在大面积的工程表面施工，应用于工程时实用性受到很大局限性，等等。而实际中采用的方法通常要求原材料及制备设备等成本低、材料及工艺环保、制备工艺简单、防护效果耐久性好等。因此，目前真正具备实用性、高效性、环保性、耐久性的表面防护用超疏水材料并不多见，发明一种简单而且成本低的技术制备超疏水防护材料、并能够通过简单的工艺制备防护涂层是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混凝土、金属、玻璃、石材、纺织品、塑料、木材等材质基材表面防护用超疏水涂层喷剂，以保证这些基材及相应设备设施在大气、阳光、酸雨、盐雾、高低温等物理或化学因素作用下免受或少受被腐蚀而锈蚀、霉变、变形、风化开裂、渗水、结雾/结霜/结冰、吸附污染物等问题。

本发明的另一目的在于提供一种基材表面保护用低成本、环保、制备工艺简单、防护效果好的超疏水涂层喷剂的制备方法。

本发明的进一步目的在于提供一种超疏水涂层喷剂的使用方法。

为实现上述之目的，本发明采取的技术方案为：

(一)一种超疏水涂层喷剂，是由无机纳米粒子、无机微粒、疏水剂、溶剂组成，其重量比为无机纳米粒子0.3～2份、无机微粒0～1.7份、疏水剂10～30份、溶剂68～89.7份。

上述的无机纳米粒子为粒径在10～80nm的纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米氧化锌中的至少一种。

上述的无机微粒为粒径在0.5～15μm的滑石粉、硅灰石、云母粉、碳酸钙、高岭土中的至少一种。

上述的疏水剂为烷基硅醇盐、烷基硅酸钠、烷基/烷氧基硅烷、硅氧烷、多巴胺、辛胺、十八胺中的至少一种。

上述的溶剂是四氢呋喃、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正己烷、乙醇、丙酮、异丙醇、丁酮、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。

(二)一种超疏水涂层喷剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在常温常压下，将无机纳米粒子和无机微粒两者或仅无机纳米粒子按照本发明的比例加入溶剂中，超声处理5～15min，接着用高速匀浆机分散5～10min。然后调节pH＝4～8，在磁力搅拌下，在10～40min内匀速滴加完疏水剂，接着在超声下反应0.5～3h即制得超疏水喷剂，密封保存。

该超疏水喷剂的理化参数如下：

外观：白色至灰色半透明液体

pH值：6.0～8.0

粘度(20℃,mPa·s):1.1-9.0

密度(25℃,g/cm³):0.85-1.10

(三)一种超疏水涂层喷剂的使用方法，具体为：

(1)基材表面预处理：将基材表面吹扫干净，必要时用水、乙醇或丙酮清洗后晾干；

(2)喷涂：将制备好的超疏水喷剂装入气压喷雾器，通过压缩空气进行气流雾化喷涂，喷嘴距基材待喷涂表面10～15cm，从左至右以2～5cm/s的速度从上到下依次喷涂，喷涂压力为10～80psi，随后从上至下以2～5cm/s的速度从左到右依次喷涂，喷涂压力不变。待表面自然晾干(约4h)后，再喷涂一遍。喷涂量需达到100～200mL/m²。

(3)养护：将涂有防护层的基材在室温下放置2～7d，或在100℃处理0.5～3h即得到具有超疏水功能的防护涂层。

本发明与现有技术相比，具有如下突出的优点和效果：

1)本发明所用到的原材料可选择范围宽，容易从市场购买，原材料及工艺环保。

2)本发明不需要复杂设备，原材料不含氟，材料及制备设备成本低，制备工艺简单。

3)本发明制备的超疏水防护层具有类似于荷叶表面的微米-纳米复合二元结构，与水的静态接触角不小于150°、滚动角小于10°，使得被保护基材表面呈现出优异的憎水效果，同时还可赋予基材具有自清洁防污、耐腐蚀、抑制冰霜凝结等功能。

4)本发明采用简便的喷涂工艺即可对基材进行疏水化防护作业，不受基材或设施形状和结构的限制，可用于大尺寸、形状特殊或复杂基材表面的防护，使用方便，施工简单，易于实现工业化。

5)本发明工作温度为-30～50℃，适宜温度范围宽，对基材的防护时间长，具有很好的耐久性。

附图说明

图1：用本发明防护材料处理后的不同基材表面疏水效果图：(a)铝材，(b)混凝土，(c)玻璃，(d)铜材。

图2：用本发明防护材料处理后的混凝土(a,b)和玻璃(c,d)表面的扫描电镜照片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1.

一种铝材表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法，所属材料由粒径为30nm的纳米氧化铝、8μm的滑石粉、甲基三乙氧基硅烷和丙酮组成，其制备过程和方法如下：

将重量比为0.3份的纳米氧化铝和0.3份的滑石粉加入84.4份的丙酮中，超声处理8min，接着用高速匀浆机分散10min。然后，用硝酸调节pH＝5，在磁力搅拌下，匀速滴加15份的甲基三乙氧基硅烷，滴加时间控制在20min，接着在超声下反应2h制得超疏水涂层喷剂。

用制备的超疏水喷剂对6063铝合金板材表面进行防护处理。在喷涂防护剂前，先用丙酮对铝合金板材表面进行清洗，然后通过压缩空气进行气流雾化喷涂，喷嘴距离铝合金板材表面15cm，喷涂压力为15psi，喷涂速度为5cm/s，喷涂量为100mL/m²，喷涂两遍，间隔时间为4h。喷涂完成后，将铝合金板材在室温下放置4d后，将水、果汁、牛奶、甲基橙溶液、石蕊溶液等在经过该喷剂处理的铝合金板材表面进行超疏水状态测试，经测试发现铝合金板材表面接触角为154.2°，滚动角为3°。表明经过该喷剂处理后，铝合金板材表面达到超疏水效果，其疏水状态如附图1a所示。

实施例2.

一种混凝土表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法，所属材料由粒径为60nm的纳米二氧化硅、12μm的滑石粉、十八烷基三甲氧基硅烷和乙醇组成，其制备过程和方法如下：

将重量比为0.5份的纳米二氧化硅和0.2份的滑石粉加入87.3份的乙醇中，超声处理10min，接着用高速匀浆机分散8min。然后，用硝酸调节pH＝6，在磁力搅拌下，匀速滴加12份的十八烷基三甲氧基硅烷，滴加时间控制在25min，接着在超声下反应2h制得超疏水涂层喷剂。

用制备的超疏水喷剂对C25混凝土表面进行防护处理。在喷涂防护剂前，先用毛刷将混凝土表面的碎渣、浮尘等清理干净，然后通过压缩空气进行气流雾化喷涂，喷嘴距离混凝土表面12cm，喷涂压力为50psi，喷涂速度为4cm/s，喷涂量为100mL/m²，喷涂两遍，间隔时间为4h。喷涂完成后，将混凝土块在室温下放置6d，将水、果汁、牛奶、甲基橙溶液、石蕊溶液等在经过该喷剂处理的混凝土表面进行超疏水状态测试，经测试得知混凝土块表面接触角为153.3°，滚动角为4°。表明经过该喷剂处理后，混凝土表面达到超疏水，其疏水状态如附图1b所示，其表面扫描电镜照片如附图2a和图2b所示。

实施例3.

一种玻璃表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法，所属材料由粒径为30nm的纳米二氧化钛、甲基硅酸钠和四氢呋喃组成，其制备过程和方法如下：

将重量比为0.4份的纳米二氧化钛加入89.6份的四氢呋喃中，超声处理5min，接着用高速匀浆机分散6min。然后，用氢氧化钠溶液调节pH＝7.5，在磁力搅拌下，匀速滴加10份的甲基硅酸钠，滴加时间控制在16min，接着在超声下反应3h制得超疏水涂层喷剂。

用制备的超疏水喷剂对玻璃表面进行防护处理。在喷涂防护剂前，先用自来水对玻璃表面进行清洗并晾干，然后进行超疏水喷剂喷涂，喷嘴距离玻璃表面15cm，喷涂压力为10psi，喷涂速度为5cm/s，喷涂量为100mL/m²，喷涂两遍，间隔时间为4h。喷涂完成后，在100℃处理2h，将水、果汁、牛奶、甲基橙溶液、石蕊溶液等在经过该喷剂处理的玻璃表面进行超疏水状态测试，经测试得知具有防护层的玻璃表面接触角为156.1°，滚动角为4°。其疏水效果如附图1c所示，表面扫描电镜照片如附图2c和图2d所示。

实施例4.

一种铜材表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法，所属材料由粒径为40nm的纳米氧化锌、8μm的云母粉、异丙基三乙氧基硅烷和异丙醇组成，其制备过程和方法如下：

将重量比为0.5份的纳米氧化锌和0.3份的云母粉加入79.2份的异丙醇中，超声处理8min，接着用高速匀浆机分散8min。调节pH＝6，在磁力搅拌下，匀速滴加20份的异丙基三乙氧基硅烷，滴加时间控制在30min，接着在超声下反应2h制得超疏水涂层喷剂。

用制备的超疏水喷剂对铜材表面进行防护处理。在喷涂防护剂前，先用异丙醇对玻璃表面进行清洗并晾干，然后进行超疏水喷剂喷涂，喷嘴距离铜材表面12cm，喷涂压力为16psi，喷涂速度为4cm/s，喷涂量为100mL/m²。喷涂完成后，在100℃处理1.5h，将水、果汁、牛奶、甲基橙溶液、石蕊溶液等在经过该喷剂处理的铜材表面进行超疏水状态测试，测试得知具有防护层的铜材表面接触角为155.6°，如附图1d所示。

实施例5.

一种纺织品表面防护用超疏水涂层喷剂及其制备和使用方法，所属材料由粒径为50nm的纳米二氧化硅、12μm的高岭土、多巴胺、辛胺和乙醇组成，其制备过程和方法如下：

将重量比为0.3份的纳米二氧化硅和0.4份的高岭土加入79.2份的乙醇中，超声处理12min，接着用高速匀浆机分散7min。然后，用硝酸调节pH＝5，在磁力搅拌下，匀速滴加由8份的多巴胺和12份辛胺的混合物，滴加时间控制在25min，接着在超声下反应1.5h制得超疏水喷剂。

用制备的超疏水涂层喷剂对聚酯纤维布进行喷涂处理，喷嘴距离纤维布15cm，喷涂压力为60psi，喷涂速度为2cm/s，喷涂量为100mL/m²，喷涂两遍。喷涂完成后，在室温下放置5d，将水、果汁、牛奶、甲基橙溶液、石蕊溶液等在经过该喷剂处理的纺织品表面进行超疏水状态测试，测试得知具有防护层的聚酯纤维布表面接触角为156.7°。

Claims (6)

1.一种材料表面防护用超疏水涂层喷剂的制备方法，其步骤是：

常温常压下，将粒径为10～80nm、重量比是0.3～2份的无机纳米粒子加入重量比是68～89.7份的溶剂中，超声处理5～15min后，用高速匀浆机分散5～10min，然后调节pH＝4～8，再在磁力搅拌下用10～40min匀速滴加重量比是10～30份的疏水剂，最后在超声下反应0.5～3h即制得超疏水涂层喷剂。

2.按照权利要求1所述的方法中，其特征在于：所述的超疏水涂层喷剂中可加入粒径为0.5～15μm的滑石粉、硅灰石、云母粉、碳酸钙、高岭土中的至少一种无机微粒。

3.按照权利要求1所述的方法中，其特征在于：所述的无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米氧化锌中的至少一种。

4.按照权利要求1所述的方法中，其特征在于：所述的溶剂为四氢呋喃、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正己烷、乙醇、丙酮、异丙醇、丁酮、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。

5.按照权利要求1所述的方法中，其特征在于：所述的疏水剂为烷基硅醇盐、烷基硅酸钠、烷基/烷氧基硅烷、硅氧烷、多巴胺、辛胺、十八胺、甲基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、甲基硅酸钠、异丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。

6.一种超疏水涂层喷剂的使用方法，具体为：

(1)基材表面预处理：将基材表面吹扫干净，必要时用水、乙醇或丙酮清洗后晾干；

(2)喷涂：将制备好的超疏水喷剂装入喷涂容器，通过压缩空气进行气流雾化喷涂，喷嘴距基材待喷涂表面10～15cm，喷涂压力是10～80psi，喷涂速度是2～5cm/s，共喷涂两次，喷涂量需达到100～200mL/m²，间隔时间是4h；

(3)养护：将涂有防护层的基材在室温下放置2～7d，或在100℃处理0.5～3h即得到具有超疏水功能的防护涂层。