CN106893375B - 一种超疏水涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用多种基底的超疏水涂层的制备方法，具体是将正硅酸乙酯加入到氨水与无水乙醇的混合液中搅拌1~2h，之后缓慢加入丹宁酸溶液搅拌30~60min，再加入HMDS搅拌30~60min，将原液喷洒到不同的基材上，干燥后即得超疏水涂层。本发明公开的适用多种基底的超疏水涂层制备工艺简单，成本低，无污染，易操作，同时超疏水性能良好，可涂覆在金属、纸、玻璃、陶瓷等不同的基底上。

Description

一种超疏水涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超疏水涂层的制备方法，尤其涉及一种适用多种基底的超疏水涂层的制备方法。
背景技术
超疏水表面一般指与水的静态接触角大于150°，滑动角小于10°的表面。超疏水表面一般具有超疏水、自清洁和防腐蚀等特性，使其在工农业生产中具有较大的应用潜力。例如，透明的超疏水涂层应用于太阳能电池板面上,在雨水的洗刷下，表面灰尘容易被水滴带走，并且可以防止积雪的覆盖从而降低太阳能板的光转化率；应用于生活用品表面，可抗菌自清洁等。此外，超疏水表面在防腐蚀材料、油水分离等诸多方面均有广泛应用。因此，研究和开发超疏水表面涂层，对加深超疏水材料特性认识、提高材料性能和拓宽材料应用范围都具有非常重要的意义。
经过大量的科学研究发现固体表面的疏水特性是由固体表面化学组成和固体表面微观结构2个方面决定的。衡量固体表面疏水性的3个重要参数是接触角、表面张力和表面自由能。使涂层保持较好疏水性的关键是如何把降低表面张力和形成显微结构结合起来。
溶胶－凝胶法（Sol-gel法）是指用含有高化学活性组分的化合物作为前驱物，在酸或碱条件下进行水解产生活性的羟基，经过水解缩合反应形成溶胶，随着水解缩合反应的进行，溶胶的粘度进一步增加，最后形成凝胶，经过陈化、干燥成为干凝胶。当把溶剂去除后，有时会留下一些微纳米孔，这些孔结构赋予了材料一些性能，如超疏水性。
曲爱兰等通过制备不同粒径和形状的SiO2 粒子，构成了符合Cassie 模型的非均相界面模型，使得水滴与涂膜表面接触时能够形成较小的粗糙度因子与高的空气捕捉率，然后利用氟硅烷的表面自组装功能制备得到了具有仿生类“荷叶效应”的超疏水膜，两者共同作用赋予了涂膜超疏水性能。测得水的静态接触角达到（174.2±2）°，接触角滞后几乎接近0°。郭志光等采用溶胶－凝胶法与自组装技术相结合在硅片表面制备了具有一定表面粗糙度的薄膜，再经全氟辛基三氯甲硅烷化学修饰后制备出了具有超疏水性能的薄膜，水滴与膜表面的接触角为155°～157°，滚动角小于5°。
目前,制备一种粗糙的表面再降低其表面能是一种常见的方法。但是超疏水涂层成本高、环境不友好、不适合大规模应用，并且降低表面能的含氟药品对人体有害。致力于制备成本低、环境友好型、无氟、适合大规模应用的超疏水涂层是当前的热门研究方向。本发明将利用溶胶-凝胶法制备一种成本低、环境友好、无氟、适合大规模应用的超疏水涂层。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有超疏水涂层成本高、环境不友好、含氟、不适合大规模应用的问题，提供了一种适合多种基底的超疏水涂层的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
将正硅酸乙酯（在超疏水原液中的摩尔浓度为0.2~1mol/L）加入到氨水与无水乙醇（共32ml其体积比为1：15）的混合液中搅拌2h，之后滴加密度为0.083g/ml的丹宁酸水溶液（体积为0.4ml~1.6ml）搅拌60min，再加入HMDS（在超疏水原液中摩尔浓度为0.05~0.2mol/L）搅拌30min，将原液喷洒到不同的基材上，80℃干燥后即得超疏水涂层。
本发明的有益效果是：本发明所述的药品廉价易得并且不含对人有害的氟，其中氨水和无水乙醇作为溶剂给正硅酸乙酯提供水解的环境，正硅酸乙酯水解为二氧化硅颗粒以增加涂层的粗糙度，丹宁酸作为涂层和基材的链接药品使涂层更加耐磨，六甲基二硅胺烷是硅烷偶联剂提供疏水集团，并且超疏水涂层的制备方法操作简单、成本低、无污染，制备的超疏水涂层性能优越，其中水的静态接触角可达到155°，基底可为金属、纸、玻璃、陶瓷等不同形式的基底，是一种可大规模制备的超疏水涂层。
附图说明
图1实验案例1中用墨水在纸片基底上做的浸润性效果图。
图2实验案例1中在纸片上做的接触角测试图。
图3实验案例2中用甲基橙水溶液在玻璃基底上做的浸润性效果图。
图4实验案例2中丹宁酸物质的量为0.0735mmol在玻璃上做的水珠弹跳测试图。
图5实验案例2中丹宁酸物质的量为0.049mmol在玻璃上做的水珠弹跳测试图。
图6实验案例2中在玻璃上做的接触角测试图。
图7实验案例3中用甲基橙水溶液在纸片基底上做的浸润性效果图。
图8实验案例3中在纸片上做的接触角测试图。
图9实验案例4中用不同液体在不同基底上做的浸润效果图；其中，A为玻璃，B为铁皮，C为纸片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1 不同摩尔浓度的TEOS制备的超疏水涂层
配置两组在超疏水原液中摩尔浓度分别为0.47mol/L、0.66 mol/L的正硅酸乙酯分别加入到32mL的氨水与无水乙醇（两者的体积比为1：15）的混合液中搅拌2h，之后再分别滴加体积为1ml的丹宁酸水溶液搅拌60min，再加入HMDS搅拌30min，其在超疏水原液中摩尔浓度为0.12mol/L。将以上两种方案制备的溶液涂在纸片上烘干之后用墨水做浸润性测试如图1.所示，图（a）为正硅酸乙酯摩尔浓度为0.47mol/L、图（b）为正硅酸乙酯摩尔浓度为0.66mol/L。并且两种方案做出的样品的接触角如图2所示，在纸片上的接触角分别为106.5o和149.5o，其滚动角分别为16o、15 o。
实施例2 不同体积的丹宁酸水溶液制备的超疏水涂层
配置两组在超疏水原液中摩尔浓度为0.47mol/L 的正硅酸乙酯分别加入到32mL的氨水与无水乙醇（两者的体积比为1：15）的混合液中搅拌2h，之后分别滴加体积为1ml、1.5ml的丹宁酸水溶液搅拌60min，再分别加入HMDS搅拌30min，其在超疏水原液中的摩尔浓度为0.12mol/L。将以上两种方案制备的溶液涂在玻璃上烘干之后用甲基橙做浸润性测试如图3所示，a）图为丹宁酸水溶液的体积为1ml，b）图为丹宁酸水溶液的体积为1.5ml。另外，这两种浓度溶胶在玻璃上所做涂层的水珠弹跳测试结果如图4（丹宁酸水溶液的体积为1ml）和图5（丹宁酸水溶液的体积为1.5ml）；两种方案做出的样品的接触角如图6所示在玻璃上的接触角分别为151o、142o。
实施例3 不同摩尔浓度的HMDS制备的超疏水涂层
配置两组在超疏水原液中摩尔浓度为0.67 mol/L的正硅酸乙酯加入到32mL的氨水与无水乙醇（两者的体积比为1：15）的混合液中搅拌2h，之后分别滴加体积为1.5ml的丹宁酸水溶液搅拌60min，再分别加入在超疏水原液中摩尔浓度为0.12mol/L、0.17mol/L的HMDS搅拌30min。将以上两种方案制备的溶液涂在纸片上烘干之后用甲基橙做浸润性测试如图7所示，a）图为HMDS的摩尔浓度为0.12mol/L，b）图为HMDS的摩尔浓度为0.17mol/L；并且两种方案做出的样品的接触角分别如图8所示，a）图中HMDS的摩尔浓度为0.12mol/L，在纸片上的接触角为（150.5 o）；b）图中HMDS的摩尔浓度为0.17mol/L，在纸片上的接触角为（110 o）。
实施例4 不同基底上制备的超疏水涂层及不同液体的超疏水效果
配置在超疏水原液中的摩尔浓度为0.47 mol/L正硅酸乙酯加入到32mL的氨水与无水乙醇（两者的体积比为1：15）的混合液中搅拌2h，之后滴加体积为1.5ml的丹宁酸水溶液搅拌60min，再加入在超疏水原液中的摩尔浓度为0.12mol/L 的HMDS搅拌30min。将其分别涂在玻璃、铁片、纸片上，保温干燥后，用甲基橙染料、墨水、咖啡、豆浆滴到相应衬底上，其非浸润性的测试效果图如图9所示，都获得了较好的非浸润效果。

Claims (3)

1.一种超疏水涂层的制备方法，其特征在于，超疏水涂层的制备方法是按以下步骤进行的：
步骤一：将正硅酸乙酯加入到氨水与无水乙醇的混合液中，搅拌2h，正硅酸乙酯在超疏水原液中的摩尔浓度为0.2~1mol/L，氨水与无水乙醇的体积共32ml；
步骤二：再将丹宁酸水溶液滴加到步骤一所得溶液中，搅拌60min；混合溶液中控制密度为0.083g/ml的丹宁酸水溶液的体积占总体积的1-5%，丹宁酸水溶液的体积为0.4ml~1.6ml；
步骤三：再将六甲基二硅胺烷滴加到步骤二中所得的溶液中搅拌30min，静置待反应产物氨气挥发完全后即为超疏水涂层原液；
步骤四：将超疏水涂层原液喷洒到基材上，80℃干燥后即得超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤一的混合溶液中，氨水和无水乙醇的体积比为1：10-20；步骤三中控制所加入的六甲基二硅胺烷在超疏水原液中的摩尔浓度为0.05~0.2mol/L。
3.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述的基材为金属、纸、玻璃或陶瓷中的任意一种。
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