CN107200333B - 一种二氧化硅亲水纳米粒子的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化硅亲水纳米粒子的制备方法及应用，属于纳米技术领域。所述制备方法包括将氨水、去离子水和无水乙醇按比例加入到烧杯中，再向混合溶液中滴加适量正硅酸乙酯，制备SiO2纳米粒子分散液A；向分散液A中加入稀释剂和改性剂，制备SiO2亲水纳米粒子分散液B。所述的分散液B采用喷涂、浸淋和涂抹的方式对玻璃表面进行处理，玻璃表面对水的接触角可大幅度降低，并表现出良好的防雾效果，而且由于其非成膜防雾特性，可避免防雾涂层带来的安全隐患和难以清除的问题。本发明提供的SiO2亲水纳米粒子由于亲水基团的作用，具有长期储存稳定；所得的分散液B完全透明，用于玻璃表面不影响玻璃的透光性。

Description

一种二氧化硅亲水纳米粒子的制备方法及应用
技术领域
本发明属于纳米技术领域，涉及一种亲水纳米粒子，更特别地说，是指一种SiO2亲水纳米粒子，该SiO2亲水纳米粒子可以直接分散至溶剂中喷涂使用，应用于汽车玻璃等领域的防雾。
背景技术
在寒冷的冬季或者雨季，驾驶室内的水蒸气会在较冷的玻璃表面形成雾气，大大降低玻璃的透光率,影响视线,给生活带来很大的不便，甚至会发生危险。尤其在雨天出行，车窗玻璃起雾后必须停下车来擦拭干净才能继续驾驶。
雾气的产生是由于当玻璃相互隔开的两侧出现一定的温差，温度低的表面水分的饱和蒸汽压低于周围环境蒸汽压时，水汽就向物体表面聚集，以微小水珠的形式析出形成雾。
防止雾气产生的方法主要从破坏结雾的条件入手：一是从热力学角度出发，安装加热装置使基材表面温度高于水蒸气露点，使水蒸气难以结露；二是从改变材料表面的性能出发，利用涂层改变基材表面的化学成分或微观结构，从而改变表面的润湿性能来达到防雾的目的。这其中，采用升温的方法防雾不仅耗时长而且造成大量的资源浪费。防雾涂料因其简单方便，快速有效而成为了目前最受关注的防雾方法。
防雾涂层主要分为疏水性防雾和亲水性防雾涂层两种。疏水性防雾涂层是使表面疏水，增大玻璃与水之间的接触角，使水滴在重力的作用下滑落来达到防雾的目的。然而疏水性涂层多采用高分子树脂材料或有机无机杂化材料，其合成工艺复杂，价格成本昂贵，且在实际应用中微小水滴的下落较难控制。此外，在高湿度环境下有大量水汽迅速冷凝时，往往仍会出现雾化现象。而亲水性防雾涂层是通过改善基材表面浸润状态，降低对水的接触角，使凝聚在表面上的小水滴铺展开而薄膜化，减少光线的漫射，保证玻璃的透明度，从而解决雾化问题。
亲水防雾涂层主要包括表面活性剂涂层、无机纳米或溶胶涂层、亲水性高分子涂层、亲水性高分子/无机杂化涂层。在这其中，表面活性剂的组分为小分子，有毒、易挥发，不利于人体健康，所以应用较少。含有高分子聚合物的亲水涂层用作汽车前挡风玻璃防雾时，其有机成膜物往往会残留在玻璃表面，容易粘附污染物且难以清除，从而导致安全隐患。
申请号201610568511.2的专利文献公开了一种纳米超亲水防雾化薄膜，其采用多种聚合物组分的混合用于防雾，但是起主要防雾作用的为聚乙烯层和沸石防雾化层，层厚度微米级。其防雾效果待定。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种二氧化硅亲水纳米粒子及其制备方法。本发明的另一目的是利用这种SiO2亲水纳米粒子配制成分散液，可通过喷涂方法喷涂在玻璃表面迅速防雾，同时具有易清除的特性，可满足一次性快速防雾的应用需求。
本发明首先提供SiO2亲水纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：
第一步，将氨水、去离子水和无水乙醇按比例加入到烧杯中，在40-60℃温度搅拌2-4min。再向混合溶液中滴加适量正硅酸乙酯，密封恒温继续搅拌3-6h；制备SiO2纳米粒子分散液A；
所述氨水和去离子水的质量比为0.2:1～2.0:1，优选0.4:1～0.8:1；无水乙醇和去离子水的质量比为30:1～60:1，优选为50:1；正硅酸乙酯和去离子水质量比为1:1～2:1，优选为1.5:1～2:1。
所述SiO2纳米粒子粒径为10-80nm；所述氨水的质量百分浓度25％。
第二步，向盛有纳米粒子分散液A烧杯中加入稀释剂，搅拌均匀后，加入改性剂，搅拌1-2h，制备SiO2亲水纳米粒子分散液B。
所述稀释剂为无水乙醇与水的混合溶液，其中无水乙醇与水质量比为1:1～1:8，优选1:4～1:5。
所述改性剂可以是聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯十六烷基醇、油酸钠、AEO-20脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种。
所述稀释剂与纳米粒子分散液A的质量比为1:1～10:1，优选为3:1。
所述改性剂与纳米粒子分散液A的质量比为0.005:1～0.05:1。
本发明还提供一种SiO2亲水纳米粒子的应用，具体是指将所制备的SiO2亲水纳米粒子分散液B采用喷涂、浸淋和涂抹的方式对玻璃表面进行处理，室温下静置5min以上，玻璃表面对水的接触角可大幅度降低，并表现出良好的防雾效果。
本发明的优点在于：
(1)常规二氧化硅纳米粒子的单分散性差，长期存储时容易团聚而长大、凝聚；本发明提供的SiO2亲水纳米粒子由于亲水基团的作用，具有长期储存稳定；
(2)本发明提供的SiO2亲水纳米粒子粒径小(10-80nm)、分布均匀；所得的分散液完全透明，用于玻璃表面不影响玻璃的透光性；
(3)本发明提供的SiO2亲水纳米粒子分散液在玻璃表面形成纳米粒子散点，改善玻璃表面的亲水特性(亲水角小于10°)，不仅具有良好的防雾特性，而且由于其非成膜防雾特性，可避免防雾涂层带来的安全隐患和难以清除的问题。
附图说明
图1是本发明制备的SiO2纳米粒子粒径分布测试结果。
图2是本发明制备的SiO2纳米粒子的微观形貌图。
图3是原始玻璃表面接触角测量结果(接触角＝61.3°)。
图4是本发明制备的SiO2亲水纳米粒子分散液改性表面接触角测量结果(接触角＝8.9°)。
图5是本发明制备的SiO2亲水纳米粒子分散液改性表面防雾效果图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种SiO2亲水纳米粒子的制备方法和应用，下面通过实施例进行具体说明。
实施例1：
一种SiO2亲水纳米粒子分散液的制备，具体步骤如下：
将0.8g氨水、1g去离子水和50g无水乙醇加入到烧杯中，在40℃温度搅拌2min。再向混合溶液中滴加2g正硅酸乙酯，密封恒温继续搅拌4h；制备SiO2纳米粒子分散液A；
将无水乙醇与水按照1：4的质量比配置成稀释剂，取5g SiO2纳米粒子分散液A置于干净烧杯中，加入稀释剂15g，搅拌均匀后；加入改性剂AEO-20脂肪醇聚氧乙烯醚0.06g，搅拌反应1-2h，得到SiO2亲水纳米粒子分散液B；
采用Zeta电位纳米粒度粒径测量仪(英国马尔文仪器有限公司Zetasizer NanoZS)测量SiO2纳米粒子分散液A的粒径分布如图1所示，制备的SiO2纳米粒子粒径分布峰值为46.68nm，大部分粒径分布在40-60nm之间。
将SiO2纳米粒子分散液A涂敷马口铁片表面，采用扫描电镜(日本JSM-7500F扫描电镜)对SiO2纳米粒子的表面形貌进行观察如如图2所示，所述的SiO2纳米粒子表面为均匀的球状，粒径分布均匀，约为50nm。
所制备的SiO2亲水纳米粒子分散液B喷涂在玻璃表面，室温静置5min后，采用接触角测量仪(德国Krüss公司FM40Mk2)测量水在其表面的接触角为8.9°(如图4所示)，远小于玻璃原始表面的接触角(61.3°)如图3所示。
将经SiO2亲水纳米粒子分散液B喷涂处理的玻璃片与没有处理的玻璃片一同放置在盛有50℃热水的烧杯上考察其防雾效果，如图5所示。可以看到，图5左侧普通玻璃表面形成大量雾滴，而经SiO2亲水纳米粒子分散液喷涂处理的玻璃片(图5右侧玻璃)清晰透明，防雾效果良好。
实施例2：
一种SiO2亲水纳米粒子分散液的制备，具体步骤如下：
将0.4g氨水、1g去离子水和50g无水乙醇加入到烧杯中，在60℃温度搅拌4min。再向混合溶液中滴加2g正硅酸乙酯，密封恒温继续搅拌6h；制备SiO2纳米粒子分散液A；
将无水乙醇与水按照1：4的质量比配置成稀释剂，取5g SiO2纳米粒子分散液A置于干净烧杯中，加入稀释剂15g，搅拌均匀后；加入改性剂聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯0.025g，搅拌反应1-2h，得到SiO2亲水纳米粒子分散液B。
采用Zeta电位纳米粒度粒径测量仪(英国马尔文仪器有限公司Zetasizer NanoZS)测量SiO2纳米粒子分散液A的粒径分布，制备的SiO2纳米粒子粒径分布峰值为22.26nm,大部分粒径分布在10-30nm之间
所制备的SiO2亲水纳米粒子分散液B喷涂在玻璃表面，室温静置5min后，采用接触角测量仪测量水在其表面的接触角为6°，远小于玻璃原始表面的接触角。
将经SiO2亲水纳米粒子分散液喷涂处理的玻璃片与没有处理的玻璃片一同放置在盛有50℃热水的烧杯上考察其防雾效果，结果表面，经SiO2亲水纳米粒子分散液喷涂处理的玻璃片保持清晰透明，表面基本上没有形成雾，具体是指将玻璃表面对水的接触角可大幅度降低，并表现出良好的防雾效果。
实施例3：
一种SiO2亲水纳米粒子分散液的制备，具体步骤如下：
将0.8g氨水、1g去离子和50g无水乙醇加入到烧杯中，在40℃温度搅拌4min。再向混合溶液中滴加1.5g正硅酸乙酯，密封恒温继续搅拌4h；制备SiO2纳米粒子分散液A；
将无水乙醇与水按照1：5的质量比配置成稀释剂，取5g SiO2纳米粒子分散液A置于干净烧杯中，加入稀释剂15g，搅拌均匀后；加入改性剂聚氧乙烯十六烷基醇0.25g，搅拌反应1-2h，得到SiO2亲水纳米粒子分散液B。
采用Zeta电位纳米粒度粒径测量仪(英国马尔文仪器有限公司Zetasizer NanoZS)测量SiO2纳米粒子分散液A的粒径分布，制备的SiO2纳米粒子粒径分布峰值为38.90nm,大部分粒径分布在30-50nm之间
所制备的SiO2亲水纳米粒子分散液B喷涂在玻璃表面，室温静置5min后，测量水在其表面的接触角为4.5°，远小于玻璃原始表面的接触角。将经SiO2亲水纳米粒子分散液喷涂处理的玻璃片具有良好的防雾效果。

Claims (3)

1.一种二氧化硅亲水纳米粒子的制备方法，其特征在于：具体步骤如下，
第一步，将氨水、去离子水和无水乙醇按比例加入到烧杯中，在40-60℃温度搅拌2-4min；再向混合溶液中滴加正硅酸乙酯，密封恒温继续搅拌3-6h；制备SiO2纳米粒子分散液A；
所述氨水和去离子水的质量比为0.2:1～2.0:1；无水乙醇和去离子水的质量比为30:1～60:1；正硅酸乙酯和去离子水质量比为1:1～2:1；
SiO2纳米粒子粒径为10～80nm；
第二步，向盛有纳米粒子分散液A烧杯中加入稀释剂，搅拌均匀后，加入改性剂，搅拌1-2h，制备SiO2亲水纳米粒子分散液B；
所述稀释剂与纳米粒子分散液A的质量比为1:1～10:1；
所述改性剂与纳米粒子分散液A的质量比为0.005:1～0.05:1；
所述稀释剂为无水乙醇与水的混合溶液，其中无水乙醇与水质量比为1:1～1:8；所述改性剂是聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯十六烷基醇、油酸钠、AEO-20脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种；
经SiO2亲水纳米粒子分散液B喷涂处理的玻璃片清晰透明，表现出防雾效果。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅亲水纳米粒子的制备方法，其特征在于：第一步中的所述氨水的质量百分浓度25％。
3.一种二氧化硅亲水纳米粒子的应用，其特征在于：将SiO2亲水纳米粒子分散液B采用喷涂、浸淋和涂抹的方式对玻璃表面进行处理，室温下静置5min以上，玻璃表面对水的接触角降低，并表现出防雾效果；经SiO2亲水纳米粒子分散液喷涂处理的玻璃片清晰透明。
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