CN107353724A - 一种含氟超疏水涂料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含氟超疏水涂料，以下按质量份计，所述涂料包括15‑25份的聚酰胺酰亚胺树脂，30‑50份的聚四氟乙烯乳液，2‑6份的三氧化二铝，1‑3份的亚硫酸钠及15‑25份的去离子水。本发明含氟超疏水涂料合成简单，在实际施工工程中，仅需一次涂覆即可完成，实现了降本增效的目的；本发明采用复配分散剂，实现了对聚四氟乙烯良好的分散效果，进而提高了涂料的综合效能；本发明选用三氧化二铝和亚硫酸钠作为助剂，提高了超疏水涂层的自分层性；本发明含氟超疏水涂料具有超强的疏水性、耐酸耐碱性、耐高温、耐盐、附着力强和硬度高的优良性能。
Description
技术领域
本发明涉及涂料领域，具体涉及一种含氟超疏水涂料及其制备方法和用途。
背景技术
超疏水涂料是一种涂层表面不易被其他粘性物质所粘附或粘着后易被除去的特种涂料。此种涂料因其所形成涂层的表面能极低、摩擦系数小、易滑动等防粘性特点，被广泛应用于家用电器、烹饪厨具、汽车、机械、化工等行业。
超疏水涂料的基本成膜物质为氟树脂与粘结剂。氟树脂的选择对超疏水涂料的不粘性能起着至关重要的作用。氟树脂种类很多，在诸多的氟树脂中，聚四氟乙烯(PTFE)摩擦系数最小，因而PTFE为超疏水涂料的首选氟树脂。为得到更好的涂层性能或便于施工，一般在PTFE的基础上，添加如四氟乙烯—全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)或四氟乙烯—六氟丙烯共聚物(FEP)等树脂，故超疏水涂料所用氟树脂一般是以PTFE为主的混合物。
PTFE的分子结构为—CF2—CF2—。由于分子中的碳链周围被电负性极强的氟原子所包围，形成了稳定的C—F键，要使此键断裂，需要500J以上的热能，因而PTFE的耐热性极为优良。同时由于它能遮蔽主链上的C原子，这样就使其表面呈惰性，几乎所有粘性物质都不能粘附在此表面上，也不能用普通方法进行粘合。在PTFE分子中，氟原子间相互排斥力大，C—F分子链的空间排列呈螺旋形，这样分子链比较僵硬，融熔粘度很高。虽然PTFE的分子链僵硬，分子间却容易滑移，这一特性赋予PTFE有益的自润滑性和低摩擦系数。
由于氟聚合物几乎不溶于任何溶剂，可将其制成水分散体。要求微粉粒径达到微米级，且由于氟聚合物表面能极低，要求用特殊表面活性剂润湿其表面，形成稳定的水性PTFE分散体。水性PTFE分散体不可直接涂覆于经表面处理后的基材表面。这是由于PTFE表面能极低，高温熔融冷却后形成的涂层附着力不良，因而需要与底材附着力好的粘结剂，可以说，不粘涂层是氟树脂与粘接剂组成的高分子合金。
超疏水涂料中粘结成分的主要作用是使氟树脂附着在基材上，而且对氟树脂进行改性，强化涂层的各种性能，使氟树脂的特殊功能充分发挥。氟树脂具有优异的防粘性、自润滑性、耐热性等，但由于其特殊的分子结构，氟树脂不能以单一的成膜物用于涂料。需在不枯涂料中加入粘结成分来增强氟树脂不粘涂层的附着力、硬度、耐久性等性能。在对水性超疏水涂料要求较高的使用温度时，则较多使用聚苯硫醚树脂和聚酰胺酰亚胺(PAI)。
PAI是在聚酰亚胺分子中引入酰胺键制得的产物，是主链上兼有酰胺和酰亚胺基团的芳香族非晶型聚合物，玻璃化温度Tg较高。PAI的摩擦系数较低，在高温下也具有较好的耐磨性。PAI与PTFE具有良好的相容性，两者复配的范围广，这有利于开发不同组成的超疏水涂料以满足各种需要。除上述特点外,作为超疏水涂料的粘结成分PAI还有以下特点：把PAI制成水溶液，与水形成单相均一体，有利于制备水性徐料；它在徐料中所占的比例虽少，却能把PTFE牢固附着于墓材上；涂膜流乎性、触变性良好，涂层光滑度高；对颜料的分散性好，着色容易。由于PAI用于水性超疏水涂料有较多优势，许多外国公司的水性超疏水涂料均采用了PAI作为粘结成分。
理想的氟树脂与粘结剂组成的高分子合金不粘涂层，表层应尽可能多的含有氟树脂，底层尽可能多的含有粘结剂，而且从表层至底层存在浓度梯度，也即存在所谓的自分层现象。这样做的目的可使底层与基材具有良好附着力，表层具有良好不粘性，且涂层中间不存在剥落现象。如何制得稳定的氟树脂水分散体及粘结剂水溶液或水分散体，如何使它们相互配伍，且在涂层形成过程中出现分层现象，是水性超疏水涂料制备与施工的关键技术之一。影响涂层自分层性的因素很多，例如涂料的组成配比、树脂的相容性、涂料粒子的密度和大小、助剂对粒子表面的改性作用，涂层的塑化工艺以及涂料的制备过程等。
助剂的作用就是改善涂料各组分的表面性质，促进涂料的研磨、稳定和施工等性能。除主要考虑涂料各组分的润湿分散稳定作用外，还要考虑如何改善和调节树脂间的相容性和促进涂层的自分层性，以获得良好的附着力和不粘性。就润湿分散面言，主要考虑原料粒子表面与分散介质水的作用，由于涂料成分包括从非极性的氟树脂和粘结树脂到高极性的某些颜填料，各成分的表面极性相差甚远，对润湿剂和分散、稳定剂的要求也极不相同，必须综合考虑，相互兼顾。就改善树脂相容性与自分层而言，主要考虑树脂与树脂间的作用力大小。树脂间结合牢固，不易相互分离，氟树脂不能迁移至表面，涂层的自分层性无法实现，涂层不粘性差；树脂相容性不好，树脂间极易相互分离，涂料的研磨分散和施工性能差，树脂间出现明显的相分离，涂层表现为明显的粘结树脂和氟树脂两部分，性能为各自的单独性，无互补性，涂层强度低，综合性能差。助剂的作用就是使树脂间的相容性与涂层的自分层性和谐统一，使涂料综合性能达到最好。
全氟辛酸铵是传统的聚四氟乙烯分散聚合的优良分散剂，已在全球氟化工领域成功使用了四十年以上，氟树脂、氟橡胶的生产大都离不开它。但目前有证据表明全氟辛酸铵被认为可能具有致癌作用。因此寻找出无毒且对聚四氟乙烯具有优良分散性能的复配分散剂已刻不容缓。
发明内容
本发明的目的是提供一种含氟超疏水涂料及其制备方法和用途，使用一种新型的聚四氟乙烯复配分散剂并通过对涂料助剂种类和比例的选择来提高涂层的自分层性，进而提高含氟超疏水涂料的综合性能。
为达到上述目的，本发明提供了一种含氟超疏水涂料，以下按质量份计，所述涂料包括15-25份的聚酰胺酰亚胺树脂，30-50份的聚四氟乙烯乳液，2-6份的三氧化二铝，1-3份的亚硫酸钠及15-25份的去离子水。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述聚酰胺酰亚胺树脂和聚四氟乙烯乳液的质量比为1:2。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述三氧化二铝和亚硫酸钠的质量比为2:1。
上述的含氟超疏水涂料，其中，以下按质量份计，所述聚四氟乙烯乳液包括35-45份的聚四氟乙烯微粒，8-16份的十二烷基硫酸钠，16-32份的全氟己基磺酸钾及4-8份的琥珀酸单十六酰胺磺酸钠。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述聚四氟乙烯微粒的粒径为2-5μm。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述十二烷基硫酸钠，全氟己基磺酸钾和琥珀酸单十六酰胺磺酸钠的质量比为2:4:1。
本发明还提供了一种上述的含氟超疏水涂料的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：制备聚四氟乙烯乳液；步骤S2：按质量份计，将5-25份的聚酰胺酰亚胺树脂，30-50份的聚四氟乙烯乳液，2-6份的三氧化二铝，1-3份的亚硫酸钠及15-25份的去离子水在高速混合机中以转速300r/min搅拌60min，制得含氟超疏水涂料。
上述的含氟超疏水涂料的制备方法，其中，所述步骤S1包括：按质量份计，将35-45份的聚四氟乙烯微粒，8-16份的十二烷基硫酸钠，16-32份的全氟己基磺酸钾及4-8份的琥珀酸单十六酰胺磺酸钠在高速混合机中以转速220r/min搅拌20min，制得聚四氟乙烯乳液。
本发明还提供了一种上述的含氟超疏水涂料的用途，所述涂料用于水龙头、油烟机、燃气灶及水槽的基材表面。
本发明还提供了一种上述的含氟超疏水涂料的用途的使用方法，将所述涂料直接喷涂于基材表面，在150℃下烘烤30分钟。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明含氟超疏水涂料合成简单，在实际施工工程中，仅需一次涂覆即可完成，实现了降本增效的目的；
(2)本发明采用复配分散剂替代全氟辛酸铵，实现了对聚四氟乙烯良好的分散效果，且无毒无污染，并提高了涂料的综合效能；
(3)本发明选用三氧化二铝和亚硫酸钠作为助剂，提高了超疏水涂层的自分层性；
(4)本发明含氟超疏水涂料具有超强的疏水性、耐酸耐碱性、耐高温、耐盐、附着力强和硬度高的优良性能。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种含氟超疏水涂料，以下按质量份计，所述涂料包括15-25份的聚酰胺酰亚胺树脂，30-50份的聚四氟乙烯乳液，2-6份的三氧化二铝，1-3份的亚硫酸钠及15-25份的去离子水。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述聚酰胺酰亚胺树脂和聚四氟乙烯乳液的质量比为1:2。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述三氧化二铝和亚硫酸钠的质量比为2:1。
上述的含氟超疏水涂料，其中，以下按质量份计，所述聚四氟乙烯乳液包括35-45份的聚四氟乙烯微粒，8-16份的十二烷基硫酸钠，16-32份的全氟己基磺酸钾及4-8份的琥珀酸单十六酰胺磺酸钠。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述聚四氟乙烯微粒的粒径为2-5μm。
上述的含氟超疏水涂料，其中，所述十二烷基硫酸钠，全氟己基磺酸钾和琥珀酸单十六酰胺磺酸钠的质量比为2:4:1。
本发明还提供了一种上述的含氟超疏水涂料的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：制备聚四氟乙烯乳液；步骤S2：按质量份计，将5-25份的聚酰胺酰亚胺树脂，30-50份的聚四氟乙烯乳液，2-6份的三氧化二铝，1-3份的亚硫酸钠及15-25份的去离子水在高速混合机中以转速300r/min搅拌60min，制得含氟超疏水涂料。
上述的含氟超疏水涂料的制备方法，其中，所述步骤S1包括：按质量份计，将35-45份的聚四氟乙烯微粒，8-16份的十二烷基硫酸钠，16-32份的全氟己基磺酸钾及4-8份的琥珀酸单十六酰胺磺酸钠在高速混合机中以转速220r/min搅拌20min，制得聚四氟乙烯乳液。
本发明还提供了一种上述的含氟超疏水涂料的用途，所述涂料用于水龙头、油烟机、燃气灶及水槽的基材表面。
本发明还提供了一种上述的含氟超疏水涂料的用途的使用方法，将所述涂料直接喷涂于基材表面，在150℃下烘烤30分钟。
电子能谱分析：
对本发明含氟超疏水涂料喷涂后的涂层的自分层性情况使用电子能谱仪进行分析，结果如表1所示。
表1涂层不同深度的峰高表
| 对应深度/nm | 150eV峰高 | 400eV峰高 | F/N峰高比 |
| 300 | 18.2 | 8.9 | 0.489 |
| 500 | 15.4 | 4.2 | 0.273 |
| 700 | 10.2 | 1.9 | 0.186 |
| 900 | 9.6 | 0.8 | 0.083 |
通过电子能谱峰值比较，发现在不同厚度的地方代表氟元素的150eV峰高和代表氮元素的400eV峰高的比例发生一定变化，从表1可以看出涂层具有优良的自分层现象。
涂有本发明含氟超疏水涂料的工件的其他性能测试如下：
1.耐酸耐碱：将工件放入盐酸与水或氢氧化钠与水按1：2比例的混合液，加热沸腾10-12分钟后，未发现穿孔起泡及变色现象；
2.耐高温200℃：本涂料涂装后可长期在-20℃－200℃内使用，短时间可耐250℃；
3.附着力强：用刀片或划格器在喷好的涂层上划出1*1mm至少36格，用日本或美国3M强力胶带反复粘检6次，无一格脱落；
4.硬度可达3H：用PH2—3HB中华铅笔削尖后在1000目的水磨砂纸上划圆，然后以45度的角用2—3KG的力向前推，没有划伤，脱层现象；
5.耐盐：把工件放在常温下含量为5％的盐水中，浸泡24小时，无起泡现象。
6.不粘性测试：测量在喷好的涂层上的液滴(水或油)的接触角，所谓接触角为液体-固体-气体三相交界处的夹角，接触角小于90度称为亲水，小于5度称为超亲水，接触角大于90度称为疏水，大于100度称为超疏水。本发明超疏水涂料上液滴的接触角为115°，说明本发明含氟超疏水涂料具有超疏水性。
综上所述，本发明含氟超疏水涂料合成简单，在实际施工工程中，仅需一次涂覆即可完成，实现了降本增效的目的；本发明采用复配分散剂替代全氟辛酸铵，实现了对聚四氟乙烯良好的分散效果，且无毒无污染，并提高了涂料的综合效能；本发明选用三氧化二铝和亚硫酸钠作为助剂，提高了超疏水涂层的自分层性；本发明含氟超疏水涂料具有超强的疏水性、耐酸耐碱性、耐高温、耐盐、附着力强和硬度高的优良性能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种含氟超疏水涂料，其特征在于，以下按质量份计，所述涂料包括15-25份的聚酰胺酰亚胺树脂，30-50份的聚四氟乙烯乳液，2-6份的三氧化二铝，1-3份的亚硫酸钠及15-25份的去离子水。
2.如权利要求1所述的含氟超疏水涂料，其特征在于，所述聚酰胺酰亚胺树脂和聚四氟乙烯乳液的质量比为1:2。
3.如权利要求1所述的含氟超疏水涂料，其特征在于，所述三氧化二铝和亚硫酸钠的质量比为2:1。
4.如权利要求1所述的含氟超疏水涂料，其特征在于，以下按质量份计，所述聚四氟乙烯乳液包括35-45份的聚四氟乙烯微粒，8-16份的十二烷基硫酸钠，16-32份的全氟己基磺酸钾及4-8份的琥珀酸单十六酰胺磺酸钠。
5.如权利要求3所述的含氟超疏水涂料，其特征在于，所述聚四氟乙烯微粒的粒径为2-5μm。
6.如权利要求3所述的含氟超疏水涂料，其特征在于，所述十二烷基硫酸钠，全氟己基磺酸钾和琥珀酸单十六酰胺磺酸钠的质量比为2:4:1。
7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的含氟超疏水涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：制备聚四氟乙烯乳液；步骤S2：按质量份计，将5-25份的聚酰胺酰亚胺树脂，30-50份的聚四氟乙烯乳液，2-6份的三氧化二铝，1-3份的亚硫酸钠及15-25份的去离子水在高速混合机中以转速300r/min搅拌60min，制得含氟超疏水涂料。
8.如权利要求7所述的含氟超疏水涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：按质量份计，将35-45份的聚四氟乙烯微粒，8-16份的十二烷基硫酸钠，16-32份的全氟己基磺酸钾及4-8份的琥珀酸单十六酰胺磺酸钠在高速混合机中以转速220r/min搅拌20min，制得聚四氟乙烯乳液。
9.一种如权利要求1-6中任意一项所述的含氟超疏水涂料的用途，其特征在于，所述涂料用于水龙头、油烟机、燃气灶及水槽的基材表面。
10.一种如权利要求9所述的含氟超疏水涂料的用途的使用方法，其特征在于，将所述涂料直接喷涂于基材表面，在150℃下烘烤30分钟。
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