CN107227050A - 超亲水自清洁防雾涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超亲水自清洁防雾涂层，包括粘接层与表面粗糙的亲水复合纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述亲水复合纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述亲水复合纳米粒子为含氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子与含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子通过氨基与环氧基开环反应键合而成。本发明其采用具有表面粗糙度的亲水复合纳米粒子，其由两种改性纳米二氧化硅粒子通过化学键结合形成。同时采用可与亲水复合纳米粒子键合的亲水聚合物作为成膜粘接剂实现底材与具粗糙度的亲水复合纳米粒子的强力粘接，无需高温烧结处理，有效克服现有超亲水涂层的制备条件苛刻的技术难题。

Description

超亲水自清洁防雾涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及化工新材料领域，具体涉及一种超亲水自清洁防雾涂层及其制备方法。
背景技术
“自清洁”概念始于20世纪90年代，自清洁根据其原理的不同分为超疏水和超亲水两类，超疏水涂层为水接触角＞150°，滚动角＜10°的涂层，其自清洁原理主要通过表面水珠的滚动带走表面污染物实现自清洁效果；超亲水涂层则是水接触角＜5°，通过在表面形成水膜而带走表面污染物最终实现自清洁效果。
雾化是指湿气或蒸汽冷凝在制品表面形成微小水滴的现象，透明或成像制品的雾化最终会影响产品的成像、能见度或透光率等性能。
目前的超疏水涂层多为通过无机颗粒与低表面能物质结合或微相分离构建微纳米粗超结构而实现，多为不透明涂层；超疏水涂层的水珠需达到一定尺寸时方可实现借助自身重力下滑，而小水滴的聚集需要一定时间，因而不适用于需保证底材外观或光学应用的产品领域。
超亲水涂层因水的接触角接近于0°，小水滴与涂层接触时便迅速铺展开，形成均匀的水膜，不会影响产品的光学性能，同时水膜可起到阻挡、隔离污物的效果，可实现油、污物等的易清洁效果。目前超亲水涂层多通过引入二氧化钛或亲水性二氧化硅、三氧化铝等纳米颗粒实现：基于二氧化钛的超亲水涂层需要在有紫外光照射的条件下方可实现表面的超亲水现象，在室内或黑暗的环境中则无法保证其长效性，限制了其应用范围；多数引入二氧化硅纳米颗粒的超亲水涂层均需高温处理，如静电组装而后烧结形成粗超表面结构(CN200610113975.0)的方式实现超亲水涂层，需要在550℃条件下烧结2h，制备条件较为苛刻。总体来说，目前这些技术的超亲水涂层的自清洁、防雾效果及耐久性或制备条件尚不理想。然而随着社会的发展，超亲水涂层以其绿色环保、方便等特性将会越来越受到市场的青睐。因此，急需研发一种新型的超亲水涂层。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种超亲水自清洁防雾涂层及其制备方法，无需高温烧结处理，有效克服现有超亲水涂层的制备条件苛刻的技术难题。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种超亲水自清洁防雾涂层，包括粘接层与表面粗糙的亲水复合纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述亲水复合纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述亲水复合纳米粒子为含氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子与含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子通过氨基与环氧基开环反应键合而成。
具体地，所述含氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的粒径是40～100nm，其粒径与所述含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的粒径的比例是30～3:1。
进一步，所述粘接层为亲水聚合物。
进一步，所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为1～10:1。优选地，所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为2～8:1。
具体地，所述亲水聚合物为硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、硅溶胶、水性聚氨酯树脂及聚丙烯酸。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种超亲水自清洁防雾涂层的制备方法，其步骤如下：
(1)在乙醇溶液中制备粒径为40-100nm为二氧化硅粒子，而后加入过量3-氨丙基三烷氧基硅烷，50℃搅拌6h发生反应，所述二氧化硅粒子的表面接枝足量3-氨丙基三烷氧基硅烷，离心分离，超声洗涤得氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子；
(2)在无水乙醇中加入所述氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子，超声分散均匀后，搅拌状态下缓慢滴加含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的水分散液，反应24h后即得亲水复合纳米粒子的稳定的分散液；其中，所述步骤(1)的二氧化硅粒子的粒径与所述含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的粒径的比例是30～3:1；
(3)将所述亲水复合纳米粒子的分散液与亲水聚合物的水溶液按预定比例混合均匀，通过浸涂或喷涂的方法涂覆于基材表面，既得超亲水自清洁防雾涂层。
具体地，所述步骤(3)中，所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为1～10:1。优选地，所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为2～8:1。
具体地，所述步骤(3)中，将所述亲水复合纳米粒子的分散液与亲水聚合物的水溶液按预定比例混合均匀，通过浸涂或喷涂的方法涂覆于基材表面，150℃加热30-60min或室温放置24h后，既得超亲水自清洁防雾涂层。。
与现有技术相比，具有如下积极效果：本发明采用具有表面粗糙度的亲水复合纳米粒子，所述亲水复合纳米粒子由两种改性纳米二氧化硅粒子通过化学键结合形成。粒径在20nm以下(特别是10nm以下)的二氧化硅纳米颗粒合成所需控制条件较为严苛，直接采用亲水气相纳米二氧化硅分散后改性存在易团聚问题，因而本发明采用市售的可乙醇分散的环氧基硅烷改性的硅溶胶做为小尺寸纳米二氧化硅粒子与自身合成制备的氨基硅烷改性的较大尺寸纳米二氧化硅粒子通过氨基与环氧基反应键合实现强附着力的具粗糙度的亲水复合纳米粒子的制备，是一种较为简单的强附着力亲水复合纳米粒子的制备方案。采用硅酸盐、磷酸盐、水性聚氨酯等可与复合纳米粒子的硅羟基或环氧基反应键合的亲水聚合物混合最终形成高度键合交联的强附着力的具有一定表面粗糙度的超亲水涂层的制备。同时采用可与复合纳米粒子键合的亲水聚合物作为成膜粘接剂实现底材与具粗糙度的复合纳米粒子的强力粘接，制备得到具表面粗糙度的强附着力超亲水涂层，无需高温烧结处理，有效克服现有超亲水涂层的制备条件苛刻的技术难题。可适用于玻璃、不锈钢、塑料等需要实现自清洁或防雾产品。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中，1-含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子，2-含氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子；3-粘接层；4-基材。
具体实施方式
请参阅图1，本发明所述的超亲水自清洁防雾涂层，包括粘接层与表面粗糙的亲水复合纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述亲水复合纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述亲水复合纳米粒子为含氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子与含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子通过氨基与环氧基开环反应键合而成。
实施例1
本实施例1的超亲水自清洁防雾涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
(1)在三口烧瓶中加入12ml正硅酸乙酯，搅拌状态下加入400ml乙醇及30ml 25％的氨水溶液，在60℃的条件下反应8h，得到粒径为80nm的二氧化硅粒子，而后加入质量为所述正硅酸乙酯的1/3的3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌下50℃反应6h，使所述二氧化硅粒子的表面接枝足量3-氨丙基三烷氧基硅烷，离心分离，超声洗涤得氨基硅烷改性的纳米粒子；
(2)在50ml无水乙醇中加入所述10g氨基硅烷改性的纳米粒子，超声分散均匀后，搅拌状态下缓慢滴加阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC151(固含15％，5nm)50g，反应24h后即得亲水复合纳米粒子的稳定的分散液；
(3)将所述亲水复合纳米粒子的分散液与PQ的硅酸钾溶液KASIL(固含36％)按质量比3:1混合均匀，加入水调节固含量至10％配制100g，再加入0.01g BYK381作为流平剂，通过喷涂的方法涂覆于基材表面，150℃加热30min后即得超亲水自清洁防雾涂层，涂层水滴接触角3°。
实施例2
本实施例2的超亲水自清洁防雾涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
(1)在三口烧瓶中加入12ml正硅酸乙酯，搅拌状态下加入400ml乙醇及30ml 25％的氨水溶液在60℃的条件下反应10h，得到粒径为100nm的二氧化硅粒子，而后加入质量为所述正硅酸乙酯的1/2的3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌下50℃反应6h，使所述二氧化硅粒子的表面接枝足量3-氨丙基三甲氧基硅烷，离心分离，超声洗涤得氨基硅烷改性的纳米粒子；
(2)在50ml无水乙醇中加入所述10g氨基硅烷改性的纳米粒子，超声分散均匀后，搅拌状态下缓慢滴加阿克苏诺贝尔的Levasil CC301(固含28％，7nm)30g，加入无水乙醇调节固含量至20％，反应24h后即得亲水复合纳米粒子的稳定的分散液；
(3)将所述亲水复合纳米粒子的分散液与西安通鑫模数为4.8的硅酸锂(固含22.1％)水溶液按质量比4:1混合均匀，加入水调节固含量至20％配制100g，再加入0.01gBYK381作为流平剂，通过喷涂的方法涂覆于基材表面，150℃加热1h后既得超亲水自清洁防雾涂层，涂层水滴接触角为2°。
实施例3
本实施例3的超亲水自清洁防雾涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
(1)在三口烧瓶中加入12ml正硅酸乙酯，搅拌状态下加入400ml乙醇及30ml 25％的氨水溶液在60℃的条件下反应10h，得到粒径为100nm的二氧化硅粒子，而后加入质量为所述正硅酸乙酯的1/2的3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌下50℃反应6h，使所述二氧化硅粒子的表面接枝足量3-氨丙基三甲氧基硅烷，离心分离，超声洗涤得氨基硅烷改性的纳米粒子；
(2)在50ml无水乙醇中加入所述10g氨基硅烷改性的纳米粒子，超声分散均匀后，搅拌状态下缓慢滴加阿克苏诺贝尔的Levasil CC401(固含37％，12nm)20g，加入无水乙醇调节固含量至20％，反应24h后即得复合纳米粒子的稳定的分散液；
(3)将所述复合纳米粒子的分散液与日产化学硅溶胶ST-XS(固含20％，4-6nm)水溶液按固含质量比6:1混合均匀，加入水调节固含量至20％配制100g溶液，再加入0.01gBYK381作为流平剂，通过喷涂的方法涂覆于基材表面，150℃加热1h后既得超亲水自清洁防雾涂层，涂层水滴接触角为1°。
实施例4
本实施例4的超亲水自清洁防雾涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
(1)在三口烧瓶中加入12ml正硅酸乙酯，搅拌状态下加入400ml乙醇及30ml 25％的氨水溶液在60℃的条件下反应4h，得到粒径为40nm的二氧化硅粒子，而后加入质量为所述正硅酸乙酯的1/3的3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌下50℃反应6h，使所述二氧化硅粒子的表面接枝足量3-氨丙基三甲氧基硅烷，离心分离，超声洗涤得氨基硅烷改性的纳米粒子；
(2)在50ml无水乙醇中加入所述10g氨基硅烷改性的纳米粒子，超声分散均匀后，搅拌状态下缓慢滴加阿克苏诺贝尔的Levasil CC151(固含15％，5nm)50g，加入无水乙醇调节固含量至20％，反应24h后即得复合纳米粒子的稳定的分散液；
(3)将所述复合纳米粒子的分散液与PQ的硅酸钾溶液KASIL(固含36％)、日产化学硅溶胶ST-XS(固含20％，4-6nm)水溶液按固含质量比5:1:1混合均匀，加入水调节固含量至10％配制100g溶液，再加入0.01g BYK381作为流平剂，通过喷涂的方法涂覆于基材表面，室温固化24h后既得超亲水自清洁防雾涂层，涂层水滴接触角为4°。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种超亲水自清洁防雾涂层，其特征在于：包括粘接层与表面粗糙的亲水复合纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述亲水复合纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述亲水复合纳米粒子为含氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子与含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子通过氨基与环氧基开环反应键合而成。
2.如权利要求1所述超亲水自清洁防雾涂层，其特征在于：所述含氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的粒径是40～100nm，其粒径与所述含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的粒径的比例是30～3:1。
3.如权利要求1或2所述超亲水自清洁防雾涂层，其特征在于：所述粘接层为亲水聚合物。
4.如权利要求3所述超亲水自清洁防雾涂层，其特征在于：所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为1～10:1。
5.如权利要求3所述超亲水自清洁防雾涂层，其特征在于：所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为2～8:1。
6.如权利要求4或5所述超亲水自清洁防雾涂层，其特征在于：所述亲水聚合物为硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、硅溶胶、水性聚氨酯树脂及聚丙烯酸。
7.一种超亲水自清洁防雾涂层的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
(1)在乙醇溶液中制备粒径为40-100nm为二氧化硅粒子，而后加入过量3-氨丙基三烷氧基硅烷，50℃搅拌6h发生反应，所述二氧化硅粒子的表面接枝足量3-氨丙基三烷氧基硅烷，离心分离，超声洗涤得氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子；
(2)在无水乙醇中加入所述氨基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子，超声分散均匀后，搅拌状态下缓慢滴加含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的分散液，反应24h后即得亲水复合纳米粒子的稳定的分散液；其中，所述步骤(1)的二氧化硅粒子的粒径与所述含环氧基硅烷改性的二氧化硅纳米粒子的粒径的比例是30～3:1；
(3)将所述亲水复合纳米粒子的分散液与亲水聚合物的水溶液按预定比例混合均匀，通过浸涂或喷涂的方法涂覆于基材表面，既得超亲水自清洁防雾涂层。
8.如权利要求7所述超亲水自清洁防雾涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为1～10:1。
9.如权利要求7所述超亲水自清洁防雾涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述亲水复合纳米粒子与所述亲水聚合物的质量比为2～8:1。
10.如权利要求7-9任一项所述超亲水自清洁防雾涂层的制备方法，其特征在于：
将所述亲水复合纳米粒子的分散液与亲水聚合物的水溶液按预定比例混合均匀，通过浸涂或喷涂的方法涂覆于基材表面，室温放置24h或150℃加热30-60min后，既得超亲水自清洁防雾涂层。
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