CN107267030A - 一种超疏水涂料及其制备和施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超疏水涂料及其制备和施工方法。将具有低表面能的颗粒与树脂、固化剂混合、稀释，得到组份A；将具有纳米孔隙的疏水材料进行研磨，研磨后的疏水材料与树脂、固化剂和溶剂进行混合，得到组份B；超疏水涂料包括组份A和组份B。通过选择适宜的可产生“荷叶效应”的微米结构材料，产生疏水需要的“荷叶效应”微米级疏水结构，使涂层具有疏水作用。利用具有纳米孔隙的疏水材料涂装于上述具有“荷叶效应”中微米级结构的疏水涂层上面，控制涂层厚度不影响“荷叶效应”微米级结构涂层的疏水性能。获得的涂层在微米级和纳米级疏水结构材料的双重作用。该涂料易于制备，施工工艺简单，涂层厚度小。低成本、超疏水、耐打磨、耐腐蚀。

Description

一种超疏水涂料及其制备和施工方法
技术领域
本发明涉及应用化学工程中的涂料制备技术领域，具体而言，涉及一种超疏水涂料及其制备和施工方法，特别的是一种由“荷叶效应”和纳米孔隙疏水材料共同构建的超疏水涂料及其制备和施工方法。
背景技术
“荷叶效应”是指荷叶表面具有超疏水以及自清洁的特性。当水滴落在荷叶表面时，会因为表面张力形成水滴，叶面的略微倾斜就会使水滴滚落，从而保持叶面的干燥。此外，滚动的水滴会粘附一些灰尘和污泥，从而实现自我清洁。通常水与荷叶的接触角会大于150°，水滴在叶面上的滚动角会小于10°。类似于荷叶效果的表面被称为超疏水表面。
目前，超疏水涂层通常是以树脂作为粘合剂，由微米-纳米复合颗粒构成两种数量级的疏水结构，比如申请号为CN200810061480.7的专利。然而，这种制备方法往往会因为纳米级别的疏水颗粒容易脱落而丧失超疏水性。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种超疏水涂料的制备方法，以解决现有超疏水涂料中纳米结构容易遭到破坏，从而丧失超疏水性的问题，所述的制备方法具有工艺简单、原材料易得、成本适中等优点。
本发明的第二目的在于提供一种所述的超疏水涂料，该涂料适用的基底材料可以是玻璃、塑料、橡胶、织物、纸、金属、水泥、陶瓷材料，或已覆盖其他涂层的上述材料，应用范围广。
本发明的第三目的在于提供一种所述的超疏水涂料的施工方法，该方法下得到的涂层具有超疏水性，可以实现自清洁的功能，涂层具有非常好的耐磨性。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种超疏水涂料的制备方法，包括以下步骤：
将具有低表面能的颗粒与树脂、固化剂混合、稀释，得到组份A；将具有纳米孔隙的疏水材料进行研磨，研磨后的疏水材料与树脂、固化剂和溶剂进行混合，得到组份B；所述超疏水涂料包括组份A和组份B。
本申请所提供的超疏水涂料的制备方法，解决现有超疏水涂料中纳米结构容易遭到破坏，从而丧失超疏水性的问题。并且，制备方法简单、原材料易得、成本适中。
优选的，所述树脂选自环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、ABS树脂、有机硅树脂和氟碳树脂中的一种。
优选的，所述具有纳米孔隙的疏水材料，选自经过疏水处理的氧化物气凝胶、高分子化合物、纤维素气凝胶、火山岩、碳气凝胶和金属有机化合物纳米孔隙材料中的一种。
更优选的，所述低表面能的颗粒的表面能小于70mN/m。
优选的，在组份A中，所述低表面能的颗粒与所述树脂、固化剂的体积比为5：(2～5)，优选的为5:3；
更优选的，所述稀释后，所述树脂、固化剂占所述组份A质量的30％-40％。
优选的，所述低表面能的颗粒包括金属颗粒和非金属颗粒，其莫氏硬度大于5，优选为大于7，更最优为大于9；
更优选的，所述金属颗粒选自铝合金、铜、铁合金中的一种或者两种的组合；
更优选的，非金属颗粒选自刚玉、金刚砂和碳化硅中的一种或者几种的组合；
更优选的溶剂选自二甲苯、乙酸丁酯、丙酮和乙醇中的一种。
优选的，所述低表面能的颗粒的粒径为0.5-500微米，更优选的为1-200微米，更进一步优选的为1-30微米。
优选的，在组份B中，所述研磨后的疏水材料与所述树脂、固化剂的质量比为5:(2-5)。
优选的，所述研磨后的疏水材料的粒径为0.1-100微米，更优选的为在0.5-50微米，更进一步优选的为在1-25微米之间。
所述的超疏水涂料的制备方法所制备的超疏水涂料。
所述的超疏水涂料的制备方法所制备的超疏水涂料的施工方法，包括以下步骤：
将组份A喷涂于基体或底涂上，闪干或干燥后，得到具有“荷叶效应”微米级结构的涂层A；在涂层A施工涂料B，控制涂层B干膜厚度，使涂层A的颗粒暴露部分不会被全部遮盖，且涂料B中所添加的具有纳米孔隙的疏水材料的颗粒均布于涂层B的表面；
优选的，所述涂层A的干膜涂层厚度为2-100微米，优选的为3-50微米，更优选的为5-35微米；
优选的，所述涂层B的干膜涂层厚度为0.5-50微米，优选的为1-40微米，跟优选的为2-30微米。
优选的，所述具有低表面能的颗粒占涂层A干膜体积百分比为15％-99％，更优选的为30％-90％，更进一步优选的为40％-75％；
和/或；
所述涂层B中疏水材料占涂层B干膜体积百分比为30％-99％，更优选为50％-95％，更进一步优选为60％-75％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的超疏水涂料的制备方法，具有工艺简单、原材料易得、成本适中等优点。
(2)本发明所提供的超疏水涂料，适用的基底材料可以是玻璃、塑料、橡胶、织物、纸、金属、水泥、陶瓷材料，或已覆盖其他涂层的上述材料，应用范围广。
(3)本发明所提供的超疏水涂料的施工方法，得到的涂层具有超疏水性，可以实现自清洁的功能，涂层具有非常好的耐磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的所制备的涂层结构示意图；
图2为具有纳孔疏水特性的气凝胶颗粒的电子显微镜照片。
附图说明：
1-具有低表面能的颗粒；2-涂层A的树脂；3-纳米孔隙的疏水材料；4-涂层B的树脂。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
一种超疏水涂料的制备方法，包括以下步骤：
将具有低表面能的颗粒与树脂、固化剂混合、稀释，得到组份A；将具有纳米孔隙的疏水材料进行研磨，研磨后的疏水材料与树脂、固化剂和溶剂进行混合，得到组份B；所述超疏水涂料包括组份A和组份B。
本申请所提供的超疏水涂料的制备方法，采用A、B组份分别制备的方法。通过选择适宜的可产生“荷叶效应”的微米结构材料，通过制备技术和施工方法在基材或底漆上施工一层涂层，该涂层产生疏水需要的“荷叶效应”微米级疏水结构，使涂层具有疏水作用。再利用具有纳米孔隙的疏水材料作为添加剂制备出涂料，涂装于上述具有“荷叶效应”中微米级结构的疏水涂层上面，控制涂层厚度不影响上述具有“荷叶效应”微米级结构的涂层疏水性能。最后获得的涂层在微米级和纳米级疏水结构材料的双重作用，可以达到类似“荷叶效应”的超疏水效果。该涂料易于制备，施工工艺简单，制得的涂层厚度较低，获得的涂层具有低成本、超疏水、耐打磨、耐腐蚀。
优选的，所述树脂选自环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、ABS树脂、有机硅树脂和氟碳树脂中的一种。
在本申请中，树脂是超疏水涂料的主要成膜物质，形成连续的涂层。不同的环氧树脂适用于不同基体材料。
优选的，所述具有纳米孔隙的疏水材料，选自经过疏水处理的氧化物气凝胶、高分子化合物、纤维素气凝胶、火山岩、碳气凝胶和金属有机化合物纳米孔隙材料中的一种。
更优选的，所述低表面能的颗粒的表面能小于70mN/m。
表面能是恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功。表面能的另一种定义是，表面粒子相对于内部粒子所多出的能量。本申请所采用的低表面能的颗粒的表面能小于70mN/m。
优选的，在组份A中，所述低表面能的颗粒与所述树脂、固化剂的体积比为5：(2～5)，优选的为5:3；
更优选的，所述稀释后，所述树脂、固化剂占所述组份A质量的30％-40％。
颗粒的含量对于涂层的结构以及其性能有着重要作用。颗粒物越多，摩擦力越大。但是，过多会影响树脂成膜。因此对颗粒与树脂的比例，以及稀释后的比例。
优选的，所述低表面能的颗粒包括金属颗粒和非金属颗粒，其莫氏硬度大于5，优选为大于7，更最优为大于9；
更优选的，所述金属颗粒选自铝合金、铜、铁合金中的一种或者两种的组合；
更优选的，非金属颗粒选自刚玉、金刚砂和碳化硅中的一种或者几种的组合；
更优选的溶剂选自二甲苯、乙酸丁酯、丙酮和乙醇中的一种。
优选的，所述低表面能的颗粒的粒径为0.5-500微米，更优选的为1-200微米，更进一步优选的为1-30微米。
低表面能的颗粒的粒径越小越好，有助与降低其表面能。粒径小于0.5微米时，颗粒容易团聚，不易分散，影响涂层性能。
优选的，在组份B中，所述研磨后的疏水材料与所述树脂、固化剂的质量比为5:(2-5)。
优选的，所述研磨后的疏水材料的粒径为0.1-100微米，更优选的为在0.5-50微米，更进一步优选的为在1-25微米之间。
所述的超疏水涂料的制备方法所制备的超疏水涂料。
本申请所提供的方法所制备的超疏水涂料，适用的基底材料可以是玻璃、塑料、橡胶、织物、纸、金属、水泥、陶瓷材料，或已覆盖其他涂层的上述材料，应用范围广。
所述的超疏水涂料的制备方法所制备的超疏水涂料的施工方法，包括以下步骤：
将组份A喷涂于基体或底涂上，闪干或干燥后，得到具有“荷叶效应”微米级结构的涂层A；在涂层A施工涂料B，控制涂层B干膜厚度，使涂层A的颗粒暴露部分不会被全部遮盖，且涂料B中所添加的具有纳米孔隙的疏水材料的颗粒均布于涂层B的表面；
优选的，所述涂层A的干膜涂层厚度为2-100微米，优选的为3-50微米，更优选的为5-35微米；
优选的，所述涂层B的干膜涂层厚度为0.5-50微米，优选的为1-40微米，跟优选的为2-30微米。
优选的，所述具有低表面能的颗粒占涂层A干膜体积百分比为15％-99％，更优选的为30％-90％，更进一步优选的为40％-75％；
和/或；
所述涂层B中疏水材料占涂层B干膜体积百分比为30％-99％，更优选为50％-95％，更进一步优选为60％-75％。
本申请所提供的超疏水涂料在施工过程中，将组份A按工艺施工于基材或底涂上面，控制喷涂厚度使得涂层表面暴露出前述选择的颗粒的一部分，所露出的颗粒间距控制在可以产生“荷叶效应”的距离，根据工艺闪干或干燥后，得到具有“荷叶效应”微米级结构的涂层A；在涂层A上根据工艺施工组份B，控制涂层干膜厚度不会使涂层A的颗粒暴露部分被全部遮盖，且组份B中所添加的具有纳米孔隙的疏水材料的颗粒均布于涂层B的表面。施工过程中，确保涂层B的厚度不影响涂层A的颗粒暴露部分被全部遮盖，不影响其纳米-微米的复合结构。
实施例1
参考图1，该示意图指出了涂层主要由具有低表面能的颗粒1、涂层A的树脂、纳米孔隙的疏水材料3以及涂层B的树脂4组成。
采用马口铁作为基底材料，表面处理可以采用表面喷砂、磷化、附着底漆以及用涂料稀释剂擦洗等常规方法进行基底材料表面处理。
将500目刚玉颗粒与环氧树脂、固化剂进行混合，其中刚玉所占体积为混合物的40％，环氧树脂与固化剂占60％。然后将混合料稀释至环氧树脂与固化剂的重量比为30％，形成组份A。
将经过六甲基二硅氮烷表面改性的气凝胶颗粒研磨至D90小于5μm的颗粒。然后将5wt％的气凝胶颗粒，5wt％的环氧树脂、固化剂和90wt％的二甲苯共混，形成组份B。
将组份A通过气动喷枪均匀喷涂在基底材料之上，20微米厚。然后室温固化24小时，形成由1、2构成的涂层A，涂层A中，刚玉颗粒占涂层A干膜体积百分比为15％。
将组份B通过气动喷枪均匀喷涂在涂层A之上，10微米厚。然后室温固化24小时，形成由3、4构成的涂层B，涂层B中，纳米孔隙疏水材料颗粒占涂层B干膜体积百分比为30％。
实施例2
参考图1，该示意图指出了涂层主要由具有低表面能的颗粒1、涂层A的树脂、纳米孔隙的疏水材料3以及涂层B的树脂4组成。
采用不锈钢作为基底材料，表面处理可以采用表面喷砂、磷化、附着底漆以及用涂料稀释剂擦洗等常规方法进行基底材料表面处理。
将5微米的铝粉颗粒与环氧树脂、固化剂进行混合，其中铝粉所占体积为混合物的50％，环氧树脂与固化剂占50％。然后将混合料稀释至环氧树脂与固化剂的重量比为40％，形成组份A。
将经过疏水处理的火山岩颗粒研磨至D90小于3μm的颗粒。然后将5wt％的气凝胶颗粒，10wt％的环氧树脂、固化剂和85wt％的二甲苯共混，形成组份B。
将组份A通过气动喷枪均匀喷涂在基底材料之上，8微米厚。然后室温固化24小时，形成由1、2构成的涂层A，涂层A中，刚玉颗粒占涂层A干膜体积百分比为15％。
将组份B通过气动喷枪均匀喷涂在涂层A之上，4微米厚。然后室温固化24小时，形成由3、4构成的涂层B，涂层B中，纳米孔隙疏水材料颗粒占涂层B干膜体积百分比为30％。
实施例3
参考图1，该示意图指出了涂层主要由具有低表面能的颗粒1、涂层A的树脂、纳米孔隙的疏水材料3以及涂层B的树脂4组成。
采用不锈钢作为基底材料，表面处理可以采用表面喷砂、磷化、附着底漆以及用涂料稀释剂擦洗等常规方法进行基底材料表面处理。
将30微米的碳化硅与环氧树脂、固化剂进行混合，其中铝粉所占体积为混合物的30％，环氧树脂与固化剂占70％。然后将混合料稀释至环氧树脂与固化剂的重量比为35％，形成组份A。
将经过疏水处理的气凝胶颗粒研磨至D90小于15μm的颗粒。然后将5wt％的气凝胶颗粒，5wt％的环氧树脂、固化剂和90wt％的二甲苯共混，形成组份B。
将组份A通过气动喷枪均匀喷涂在基底材料之上，40微米厚。然后室温固化24小时，形成由1、2构成的涂层A，涂层A中，刚玉颗粒占涂层A干膜体积百分比为90％。
将组份B通过气动喷枪均匀喷涂在涂层A之上，25微米厚。然后室温固化24小时，形成由3、4构成的涂层B，涂层B中，纳米孔隙疏水材料颗粒占涂层B干膜体积百分比为75％。
对比例 申请号为CN200810061480.7所制备的涂料涂层
实验例1涂层耐磨性测试结果
用Taber耐磨试验机对实施例1-3以及对比例的涂层进行耐摩擦性能测试。实验后，对比例的磨损量比本申请所提供的制备方法所制备的涂层的磨损量大。实验结果表明，本申请所提供的方法所制备的超疏水涂料，纳米级别的疏水颗粒不容易脱落，耐磨损性能更好。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种超疏水涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将具有低表面能的颗粒与树脂、固化剂混合、稀释，得到组份A；将具有纳米孔隙的疏水材料进行研磨，研磨后的疏水材料与树脂、固化剂和溶剂进行混合，得到组份B；所述超疏水涂料包括组份A和组份B；
优选的，所述树脂选自环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、ABS树脂、有机硅树脂和氟碳树脂中的一种；
优选的，所述具有纳米孔隙的疏水材料，选自经过疏水处理的氧化物气凝胶、高分子化合物、纤维素气凝胶、火山岩、碳气凝胶和金属有机化合物纳米孔隙材料中的一种。
2.根据权利要求1所述的超疏水涂料的制备方法，其特征在于，所述低表面能的颗粒的表面能小于70mN/m。
3.根据权利要求1所述的超疏水涂料的制备方法，其特征在于，在组份A中，所述低表面能的颗粒与所述树脂、固化剂的体积比为5：(2～5)，优选的为5:3；
优选的，所述稀释后，所述树脂、固化剂占所述组份A质量的30％-40％。
4.根据权利要求1所述的超疏水涂料的制备方法，其特征在于，所述低表面能的颗粒包括金属颗粒和非金属颗粒，其莫氏硬度大于5，优选为大于7，更最优为大于9；
优选的，所述金属颗粒选自铝合金、铜、铁合金中的一种或者两种的组合；
优选的，非金属颗粒选自刚玉、金刚砂和碳化硅中的一种或者几种的组合；
优选的溶剂选自二甲苯、乙酸丁酯、丙酮和乙醇中的一种。
5.根据权利要求1所述的超疏水涂料的制备方法，其特征在于，所述低表面能的颗粒的粒径为0.5-500微米，优选的为1-200微米，更优选的为1-30微米。
6.根据权利要求1所述的超疏水涂料的制备方法，其特征在于，在组份B中，所述研磨后的疏水材料与所述树脂、固化剂的质量比为5:(2-5)。
7.根据权利要求1所述的超疏水涂料的制备方法，其特征在于，所述研磨后的疏水材料的粒径为0.1-100微米，优选的为在0.5-50微米，更优选的为在1-25微米之间。
8.根据权利要求1-7任一项所述的超疏水涂料的制备方法所制备的超疏水涂料。
9.根据权利要求1-7任一项所述的超疏水涂料的制备方法所制备的超疏水涂料的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
将组份A喷涂于基体或底涂上，闪干或干燥后，得到具有“荷叶效应”微米级结构的涂层A；在涂层A施工涂料B，控制涂层B干膜厚度，使涂层A的颗粒暴露部分不会被全部遮盖，且涂料B中所添加的具有纳米孔隙的疏水材料的颗粒均布于涂层B的表面；
优选的，所述涂层A的干膜涂层厚度为2-100微米，优选的为3-50微米，更优选的为5-35微米；
优选的，所述涂层B的干膜涂层厚度为0.5-50微米，优选的为1-40微米，更优选的为2-30微米。
10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于，所述的涂层A中，所述具有低表面能的颗粒占涂层A干膜体积百分比为15％-99％，优选的为30％-90％，更优选的为40％-75％；
和/或；
所述涂层B中疏水材料占涂层B干膜体积百分比为30％-99％，优选为50％-95％，更优选为60％-75％。
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