CN107903667B - 一种多功能的超亲水涂层及其制备方法 - Google Patents

一种多功能的超亲水涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能的超亲水涂层，包括粘接层与功能纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述功能纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述粘接层为无机硅酸盐与纳米二氧化硅所形成的无机聚合物或，所述粘接层为无机磷酸盐与纳米二氧化硅所形成的无机聚合物，所述功能纳米粒子与所述粘接层的纳米二氧化硅的粒径比为2:1～9:1，而且，所述功能纳米粒子的粒径为8～40nm，所述纳米二氧化硅的粒径为2～15nm。本发明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及其他如防静电、光催化分解、隔热等功能的产品。

Description

一种多功能的超亲水涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种自洁涂料，具体涉及一种多功能的超亲水涂层及其制备方法。
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。
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糙表面结构(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。
再者，目前市场上的自洁涂料较为功能单一，不能满足市场的需求。因此，急需研发一种易于制备的多功能的超亲水涂层。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种多功能的超亲水涂层及其制备方法，其简单制备，实现自清洁同时还具备其他功能，如防静电、光催化分解、隔热等。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种多功能的超亲水涂层，包括粘接层与功能纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述功能纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述粘接层为无机硅酸盐与纳米二氧化硅所形成的无机聚合物，所述无机硅酸盐与纳米二氧化硅的质量比为1:9～4:6，或，所述粘接层为无机磷酸盐与纳米二氧化硅所形成的无机聚合物，所述无机磷酸盐与纳米二氧化硅的质量比为1:9～4:6；所述功能纳米粒子与所述粘接层的纳米二氧化硅的粒径比为2:1～9:1，而且，所述功能纳米粒子的粒径为8～40nm，所述纳米二氧化硅的粒径为2～15nm。
进一步，所述功能纳米粒子为纳米级的ITO、纳米级的ATO、纳米级的TiO2或纳米级的WO3任意一种或两种以上。所述纳米级的ITO即为纳米铟锡氧化物，其提供防静电等功能；所述纳米级的ATO即为纳米氧化锡锑，其提供防静电等功能；所述纳米级的TiO2即为纳米二氧化钛，其提供光催化分解等功能；所述纳米级的WO3即为纳米三氧化钨，其提供隔热等功能。当加入两种以上功能纳米粒子，则实现复合功能，可因应不同的需求同时实现两种(防静电与隔热的结合、光催化分解与隔热的结合等)、三种(防静电、隔热与光催化分解的结合)甚至是四种功能，充分满足市场的多元化需求。
具体地，所述无机硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾或硅酸锂。其中，硅酸钠、硅酸钾和硅酸锂均为具有相应模数的碱金属硅酸盐，含有大量硅羟基，可与二氧化硅或自身的硅羟基进一步交联聚合形成无机聚合物实现粘接功能，因此，优选硅酸钠、硅酸钾和硅酸锂。
具体地，所述无机磷酸盐为磷酸二氢铝。
进一步，所述纳米级的ITO与粘接层质量比为1:10～1:30。本发明的方阻在105Ω/□～109Ω/□时即可实现防静电功能，纳米铟锡氧化物的量越大则方阻越小，本发明的所述纳米铟锡氧化物与粘接层质量比分别是，实施例1是1：20，实施例2是1:27，实施例3是1:10。
具体地，还包括固化剂，所述固化剂为金属氧化物、金属氢氧化物、硼酸盐、氟硅酸盐或有机酯。固化剂种类为行业类常规固化剂，为实现透明功能涂层，多采用水溶性盐，或粒径小于20nm的金属氧化物或氢氧化物的纳米分散液。不加固化剂也可以实现功能涂层的制备，但是需要加热，当引入固化剂则不需要加热。
本发明还提供了一种多功能的超亲水涂层的制备方法，其步骤如下：
(1)在容器中加入一定量的纳米二氧化硅溶液，加入足量的去离子水稀释后，搅拌状态下加入无机硅酸盐或无机磷酸盐，反应一段时间后加入功能纳米粒子溶液，搅拌均匀后得到多功能的超亲水涂层前驱体溶液；
(2)通过刷涂或喷涂的方法将所述多功能的超亲水涂层前驱体溶液涂覆于基材表面，既得多功能的超亲水涂层。
进一步，将所述多功能的超亲水涂层前驱体溶液通过刷涂或喷涂的方法涂覆于所述基材表面，室温放置24h或150℃加热30-60min后，既得超亲水功能涂层。
与现有技术相比，具有如下积极效果：1、本发明采用无机硅酸盐或无机磷酸盐以相对较低质量比例，利用纳米二氧化硅的尺寸效应堆叠形成具有一定粗糙度的粘接层，同时利用功能纳米粒子与纳米二氧化硅的尺寸差异，实现功能纳米粒子的富集于涂层表面，利用涂层的自身亲水性与所形成的表面粗糙度实现多功能亲水涂层的制备，无需高温烧结处理，相比常规直接混合的添加方案，所需功能纳米粒子的量大大降低；其中，无机硅酸盐或无机磷酸盐与纳米二氧化硅的质量比为1:9～4:6，当小于1:9，则二氧化硅含量太多，涂层成膜性较差，强度不足，当超过4:6则无机盐组份较多，二氧化硅较少，难以通过二氧化硅粒子的堆叠实现粗糙表面的制备；此外，所述功能纳米粒子与所述粘接层的纳米二氧化硅的粒径比为2:1～9:1，如果功能纳米粒子与二氧化硅粒子的粒径太接近，则功能纳米粒子与二氧化硅粒子无法显著区分，难以实现功能粒子富集于表面，如果功能纳米粒子与二氧化硅粒子的粒径差别太大，则会出现功能纳米粒子与粘接层接触面小，粘接不够，涂层强度不足；
2、采用加入固化剂的方案可实现室温固化，有效克服现有超亲水涂层的制备条件苛刻的技术难题。
本发明的多功能的超亲水功能涂层适用于玻璃、不锈钢、塑料等需要实现自清洁及其他如防静电、光催化分解、隔热等功能的产品。
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-粘接层，2-纳米二氧化硅；3-无机盐聚合物；4-功能纳米粒子；5-基材。
具体实施方式
请参阅图1，本发明所述多功能的超亲水功能涂层，包括粘接层与功能纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述功能纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述功能纳米粒子为具有导电性、光催化性或吸收红外线等功能的纳米粒子。
实施例1
本实施例1的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC151(固含15％，5nm)60g，搅拌状态下加入35.5g去离子水，而后加入PQ的硅酸钾溶液KASIL(固含36％)2.8g和上海沪正的ITO-WP030(固含30％，20-30nm)1.7g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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，150℃加热60min后即得超亲水防静电涂层，涂层水滴接触角3°，表面方阻为2*108Ω/□。
实施例2
本实施例2的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC151(固含15％，5nm)42.7g，搅拌状态下加入51.4g去离子水，而后加入PQ的硅酸钾溶液KASIL(固含36％)4.4g、上海沪正的ITO-WP030(固含30％，20-30nm)0.9g和厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.6g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约8％的功能涂层前驱体溶液，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，150℃加热60min后即得超亲水防静电涂层，涂层水滴接触角4°，表面方阻为3*109Ω/□。
实施例3
本实施例3的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC301(固含28％，7nm)25g，搅拌状态下加入58.6g去离子水，而后加入西安通鑫的硅酸锂溶液(固含23％)13.1g和上海沪正的ITO-WP030(固含30％，20-30nm)3.3g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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，150℃加热30min后即得超亲水防静电涂层，涂层水滴接触角4°，表面方阻为8*106Ω/□。
实施例4
本实施例4的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CT20DH(固含34％)20.6g，搅拌状态下加入61.9g去离子水，而后加入磷酸二氢铝溶液(固含20％)15g、上海沪正的ITO-WP030(固含30％，20-30nm)1.7g和厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.8g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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，150℃加热60min后即得超亲水防静电涂层，涂层水滴接触角5°，表面方阻为3*108Ω/□。
实施例5
本实施例5的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC301(固含28％，7nm)32.1g，搅拌状态下加入61.4g去离子水，而后加入西安通鑫的硅酸锂溶液(固含23％)4.3g和上海沪正的ATO-WP030(固含30％，20-30nm)1.7g，厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.5g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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后即得超亲水防静电涂层，涂层水滴接触角4°，表面方阻为3*108Ω/□。
实施例6
本实施例6的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC151(固含15％，5nm)53.3g，搅拌状态下加入32.4g去离子水，而后加入西安通鑫的硅酸锂溶液(固含23％)8.7g和上海依夫实业的锐钛矿型二氧化钛水性分散液(EFUT-Y01-S，固含20％，15-30nm)5g，厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.6g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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后即得超亲水且具光催化分解功能的涂层，涂层水滴接触角3°。
实施例7
本实施例7的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC301(固含28％，7nm)25g，搅拌状态下加入56.3g去离子水，而后加入西安通鑫的硅酸锂溶液(固含23％)13.1g和上海沪正的WOS-WP020(固含20％)5g，厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.6g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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后即得超亲水且具隔热效果的涂层，涂层水滴接触角4°，红外线及紫外线的阻隔率大于90％。
实施例8
本实施例8的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC151(固含15％，5nm)53.3g，搅拌状态下加入30.7g去离子水，而后加入西安通鑫的硅酸锂溶液(固含23％)8.7g和上海依夫实业的锐钛矿型二氧化钛水性分散液(EFUT-Y01-S，固含20％，15-30nm)5g，厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.6g，上海沪正的ITO-WP030(固含30％，20-30nm)1.7g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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后即得具超亲水、光催化分解及防静电功能的涂层，涂层水滴接触角2°，表面方阻为3*108Ω/□。
实施例9
本实施例9的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC301(固含28％，7nm)25g，搅拌状态下加入54.6g去离子水，而后加入西安通鑫的硅酸锂溶液(固含23％)13.1g和上海沪正的WOS-WP020(固含20％)4g，厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.6g，上海沪正的ITO-WP030(固含30％，20-30nm)1.7g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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后即得具超亲水、隔热效果及防静电功能的涂层，涂层水滴接触角2°，红外线及紫外线的阻隔率大于90％，表面方阻5*108Ω/□。
实施例10
本实施例10的超亲水功能涂层，通过以下方法制备，其步骤如下：
在三口烧瓶中加入阿克苏诺贝尔的硅溶胶Levasil CC301(固含28％，7nm)25g，搅拌状态下加入52.1g去离子水，而后加入西安通鑫的硅酸锂溶液(固含23％)13.1g和上海沪正的WOS-WP020(固含20％)4g，厦门纳诺泰克的ZnO(40％，10nm)0.6g，上海沪正的ITO-WP030(固含30％，20-30nm)1.7g，上海依夫实业的锐钛矿型二氧化钛水性分散液(EFUT-Y01-S，固含20％，15-30nm)3g，室温下搅拌1h，最终制备出100g固含约10％的功能涂层前驱体溶液，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后即得具超亲水、隔热效果、防静电及光催化功能的涂层，涂层水滴接触角2°，红外线及紫外线的阻隔率大于90％，表面方阻6*108Ω/□。
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 (9)

1.一种多功能的超亲水涂层，其特征在于：包括粘接层与功能纳米粒子，所述粘接层的一面键合所述功能纳米粒子，所述粘接层的另一面连接基材；所述粘接层为无机硅酸盐与纳米二氧化硅所形成的无机聚合物，所述无机硅酸盐与纳米二氧化硅的质量比为1:9～4:6，或，所述粘接层为无机磷酸盐与纳米二氧化硅所形成的无机聚合物，所述无机磷酸盐与纳米二氧化硅的质量比为1:9～4:6；所述功能纳米粒子与所述粘接层的纳米二氧化硅的粒径比为2:1～9:1，而且，所述功能纳米粒子的粒径为8～40nm，所述纳米二氧化硅的粒径为2～15nm。
2.如权利要求1所述多功能的超亲水涂层，其特征在于：所述功能纳米粒子为纳米级的ITO、纳米级的ATO、纳米级的TiO2或纳米级的WO3任意一种或两种以上。
3.如权利要求1所述多功能的超亲水涂层，其特征在于：所述无机硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾或硅酸锂。
4.如权利要求1所述多功能的超亲水涂层，其特征在于：所述无机磷酸盐为磷酸二氢铝。
5.如权利要求2所述多功能的超亲水涂层，其特征在于：所述纳米级的ITO与粘接层质量比为1:10～1:30。
6.如权利要求1所述多功能的超亲水涂层，其特征在于：还包括固化剂，其为金属氧化物、金属氢氧化物、硼酸盐、氟硅酸盐或有机酯。
7.一种多功能的超亲水涂层的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
(1)在容器中加入一定量的纳米二氧化硅溶液，加入足量的去离子水稀释后，搅拌状态下加入无机硅酸盐或无机磷酸盐，反应一段时间后加入功能纳米粒子溶液，搅拌均匀后得到多功能的超亲水涂层前驱体溶液；
(2)通过刷涂或喷涂的方法将所述多功能的超亲水涂层前驱体溶液涂覆于基材表面，即 得多功能的超亲水涂层；
其中，所述无机硅酸盐与纳米二氧化硅的质量比为1:9～4:6，或，所述无机磷酸盐与纳米二氧化硅的质量比为1:9～4:6；所述功能纳米粒子与纳米二氧化硅的粒径比为2:1～9:1，而且，所述功能纳米粒子的粒径为8～40nm，所述纳米二氧化硅的粒径为2～15nm。
8.如权利要求7所述多功能的超亲水涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将所述多功能的超亲水涂层前驱体溶液通过刷涂或喷涂的方法涂覆于所述基材表面，室温放置24h或150℃加热30-60min后，即 得超亲水功能涂层。
9.如权利要求7所述多功能的超亲水涂层的制备方法，其特征在于：所述功能纳米粒子为纳米级的ITO、纳米级的ATO、纳米级的TiO2或纳米级的WO3。
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