CN107987634A - 一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层 - Google Patents

一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纳米材料研发技术领域，公开了一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，利用沉淀反应法制备粒径大小在1‑50纳米之间的二氧化硅，再利用硅烷溶液进行改性，分解在丙烯酸树脂溶液中对挡风玻璃进行涂覆，制备得到的超疏水疏油纳米复合涂层，具有极好的油水分离能力，涂层表面呈现互相连通的微区和纳米孔洞组成的层状微观结构，对灰尘具有自清洁的效果，并且涂层材料的微观形貌和化学组成共同作用，提高对玻璃的机械保护，除此之外，还具有防冰覆、耐腐蚀性能。

Description

一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层
技术领域
本发明属于纳米材料研发技术领域，具体涉及一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层。
背景技术
纳米级结构材料简称为纳米材料，是指其结构单元的尺寸介于1纳米-100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
人们根据仿生学的原理已成功制备了许多自清洁涂层，这些自清洁涂层可以分为超亲水和超疏水两类，这两类涂层都可以通过水达到自清洁效果。对于超疏水涂层来说，水珠在涂层表面通过滑动和滚动的方式带走表面的灰尘。自清洁涂层可广泛应用于建筑外墙玻璃、汽车和飞机挡风玻璃、光学眼镜、医疗玻璃器具等方面，具有巨大的市场前景。无机纳米二氧化硅由-Si-O-Si-链组合呈三维网络状，其表面有状态不同的-OH 和大量的不饱和键，并且比表面积大具有高表面能和化学活性，使其不易分散，难于制备性能优良的材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，对纳米二氧化硅进行改性，制备得到超疏水疏油纳米复合涂层。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.13-0.15摩尔的硅酸钠和50-60毫升的盐酸，混合搅拌10-15分钟后加入20-25毫升乙醇、5-8毫升氨水，超声处理15-20分钟后在30-40℃水浴锅中反应18-20分钟，然后转移到聚四氟乙烯反应釜中，在240-260℃下反应20-24小时，降温后将反应混合物使用无水乙醇超声洗涤2-3遍，再使用去离子水超声洗涤2-3遍，过滤得到沉淀物，置于70-80℃ 烘箱中干燥6-8小时；
（2）取40-45毫升无水乙醇，加入10-12毫升的去离子水和1.8-2.0克十六烷基三甲基硅烷，搅拌溶解10-15分钟，将步骤（1）制备得到的纳米二氧化硅分散到混合乙醇溶液中，然后加入3-5毫升摩尔浓度为1.5-2.0摩尔/升的乙酸，在60-70℃下反应2-3小时，过滤得到反应产物，将产物在零下18℃-零下15℃下冷冻干燥12-15小时，最后于90-100℃温度下真空干燥10-12小时，即得改性纳米二氧化硅；
（3）将制备的改性二氧化硅添加到质量浓度为40-50%丙烯酸树脂溶液中，在转速为1800-2000转/分钟下分散30-40分钟，旋涂于预先处理后的玻璃基材上，旋转30-40秒，在室温下静置6-8小时后置于65-75℃的真空干燥箱中固化18-20小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所述的盐酸摩尔浓度为4.5-4.8摩尔/升。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述改性二氧化硅添加质量分数为0.8-1.0%。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述的预先处理后的玻璃基材处理方法为：使用碱性洗涤剂超声清洗20-30分钟后再用乙醇超声处理10-15分钟，最后用去离子水冲洗2-3遍，在40-45℃下干燥50-60分钟即可。
作为对上述方案的进一步描述，该纳米涂层在玻璃上的涂覆度厚在0.3-0.5微米之间。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了提高汽车挡风玻璃的耐污性能，本发明提供了一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，利用沉淀反应法制备粒径大小在1-50纳米之间的二氧化硅，再利用硅烷溶液进行改性，分解在丙烯酸树脂溶液中对挡风玻璃进行涂覆，制备得到的超疏水疏油纳米复合涂层，具有极好的油水分离能力，涂层表面呈现互相连通的微区和纳米孔洞组成的层状微观结构，对灰尘具有自清洁的效果，并且涂层材料的微观形貌和化学组成共同作用，提高对玻璃的机械保护，除此之外，还具有防冰覆、耐腐蚀性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.13摩尔的硅酸钠和50毫升的盐酸，混合搅拌10分钟后加入20毫升乙醇、5毫升氨水，超声处理15分钟后在30℃水浴锅中反应18分钟，然后转移到聚四氟乙烯反应釜中，在240℃下反应20小时，降温后将反应混合物使用无水乙醇超声洗涤2遍，再使用去离子水超声洗涤2遍，过滤得到沉淀物，置于70℃ 烘箱中干燥6小时；
（2）取40毫升无水乙醇，加入10毫升的去离子水和1.8克十六烷基三甲基硅烷，搅拌溶解10分钟，将步骤（1）制备得到的纳米二氧化硅分散到混合乙醇溶液中，然后加入3毫升摩尔浓度为1.5摩尔/升的乙酸，在60℃下反应2小时，过滤得到反应产物，将产物在零下18℃下冷冻干燥12小时，最后于90℃温度下真空干燥10小时，即得改性纳米二氧化硅；
（3）将制备的改性二氧化硅添加到质量浓度为40%丙烯酸树脂溶液中，在转速为1800转/分钟下分散30分钟，旋涂于预先处理后的玻璃基材上，旋转30秒，在室温下静置6小时后置于65℃的真空干燥箱中固化18小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所述的盐酸摩尔浓度为4.5摩尔/升。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述改性二氧化硅添加质量分数为0.8%。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述的预先处理后的玻璃基材处理方法为：使用碱性洗涤剂超声清洗20分钟后再用乙醇超声处理10分钟，最后用去离子水冲洗2遍，在40℃下干燥50分钟即可。
作为对上述方案的进一步描述，该纳米涂层在玻璃上的涂覆度厚在0.3-0.5微米之间。
对比例2
一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.14摩尔的硅酸钠和55毫升的盐酸，混合搅拌12分钟后加入22毫升乙醇、6毫升氨水，超声处理18分钟后在35℃水浴锅中反应19分钟，然后转移到聚四氟乙烯反应釜中，在250℃下反应22小时，降温后将反应混合物使用无水乙醇超声洗涤2遍，再使用去离子水超声洗涤2遍，过滤得到沉淀物，置于75℃ 烘箱中干燥7小时；
（2）取42毫升无水乙醇，加入11毫升的去离子水和1.9克十六烷基三甲基硅烷，搅拌溶解12分钟，将步骤（1）制备得到的纳米二氧化硅分散到混合乙醇溶液中，然后加入4毫升摩尔浓度为1.8摩尔/升的乙酸，在65℃下反应2.5小时，过滤得到反应产物，将产物在零下16℃下冷冻干燥14小时，最后于95℃温度下真空干燥11小时，即得改性纳米二氧化硅；
（3）将制备的改性二氧化硅添加到质量浓度为45%丙烯酸树脂溶液中，在转速为1900转/分钟下分散35分钟，旋涂于预先处理后的玻璃基材上，旋转35秒，在室温下静置7小时后置于70℃的真空干燥箱中固化19小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所述的盐酸摩尔浓度为4.6摩尔/升。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述改性二氧化硅添加质量分数为0.9%。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述的预先处理后的玻璃基材处理方法为：使用碱性洗涤剂超声清洗25分钟后再用乙醇超声处理12分钟，最后用去离子水冲洗2遍，在42℃下干燥55分钟即可。
作为对上述方案的进一步描述，该纳米涂层在玻璃上的涂覆度厚在0.3-0.5微米之间。
实施例3
一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.15摩尔的硅酸钠和60毫升的盐酸，混合搅拌15分钟后加入25毫升乙醇、8毫升氨水，超声处理20分钟后在40℃水浴锅中反应20分钟，然后转移到聚四氟乙烯反应釜中，在260℃下反应24小时，降温后将反应混合物使用无水乙醇超声洗涤3遍，再使用去离子水超声洗涤3遍，过滤得到沉淀物，置于80℃ 烘箱中干燥8小时；
（2）取45毫升无水乙醇，加入12毫升的去离子水和2.0克十六烷基三甲基硅烷，搅拌溶解15分钟，将步骤（1）制备得到的纳米二氧化硅分散到混合乙醇溶液中，然后加入5毫升摩尔浓度为2.0摩尔/升的乙酸，在70℃下反应3小时，过滤得到反应产物，将产物在零下15℃下冷冻干燥15小时，最后于90-100℃温度下真空干燥12小时，即得改性纳米二氧化硅；
（3）将制备的改性二氧化硅添加到质量浓度为50%丙烯酸树脂溶液中，在转速为2000转/分钟下分散40分钟，旋涂于预先处理后的玻璃基材上，旋转40秒，在室温下静置8小时后置于75℃的真空干燥箱中固化20小时即可。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所述的盐酸摩尔浓度为4.8摩尔/升。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述改性二氧化硅添加质量分数为1.0%。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（3）中所述的预先处理后的玻璃基材处理方法为：使用碱性洗涤剂超声清洗30分钟后再用乙醇超声处理15分钟，最后用去离子水冲洗3遍，在45℃下干燥60分钟即可。
作为对上述方案的进一步描述，该纳米涂层在玻璃上的涂覆度厚在0.3-0.5微米之间。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，使用高温煅烧法制备纳米二氧化硅，其余保持一致。
对比例2
与实施例2的区别仅在于，省略对纳米二氧化硅的改性过程，其余保持一致。
对比例3
与实施例3的区别仅在于，将改性后的纳米二氧化硅配制成浓度为1%的溶液后涂抹玻璃，干燥即可，其余保持一致。
对比试验
分别使用实施例1-3和对比例1-3的方法进行涂层的制备应用，应用在汽车挡风玻璃上进行试验，同时以现有的纳米氧化锌涂层以及涂布工艺作为对照，对得到的涂层进行性能测试，结果如下表所示：
项目 对油的接触角（°） 对水的接触角（°） 去污率（%） 寿命（年）
实施例1 93.2 134.2 99.8 5
实施例2 93.3 134.6 99.9 6
实施例3 93.2 134.5 99.8 6
对比例1 65.0 92.5 80.6 3
对比例2 42.6 70.4 74.3 3
对比例3 67.8 98.6 83.5 2
对照组 40.6 68.9 71.3 2

Claims (5)

1.一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
（1）称取0.13-0.15摩尔的硅酸钠和50-60毫升的盐酸，混合搅拌10-15分钟后加入20-25毫升乙醇、5-8毫升氨水，超声处理15-20分钟后在30-40℃水浴锅中反应18-20分钟，然后转移到聚四氟乙烯反应釜中，在240-260℃下反应20-24小时，降温后将反应混合物使用无水乙醇超声洗涤2-3遍，再使用去离子水超声洗涤2-3遍，过滤得到沉淀物，置于70-80℃ 烘箱中干燥6-8小时；
（2）取40-45毫升无水乙醇，加入10-12毫升的去离子水和1.8-2.0克十六烷基三甲基硅烷，搅拌溶解10-15分钟，将步骤（1）制备得到的纳米二氧化硅分散到混合乙醇溶液中，然后加入3-5毫升摩尔浓度为1.5-2.0摩尔/升的乙酸，在60-70℃下反应2-3小时，过滤得到反应产物，将产物在零下18℃-零下15℃下冷冻干燥12-15小时，最后于90-100℃温度下真空干燥10-12小时，即得改性纳米二氧化硅；
（3）将制备的改性二氧化硅添加到质量浓度为40-50%丙烯酸树脂溶液中，在转速为1800-2000转/分钟下分散30-40分钟，旋涂于预先处理后的玻璃基材上，旋转30-40秒，在室温下静置6-8小时后置于65-75℃的真空干燥箱中固化18-20小时即可。
2.如权利要求1所述一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，其特征在于，步骤（1）中所述的盐酸摩尔浓度为4.5-4.8摩尔/升。
3.如权利要求1所述一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，其特征在于，步骤（3）中所述改性二氧化硅添加质量分数为0.8-1.0%。
4.如权利要求1所述一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，其特征在于，步骤（3）中所述的预先处理后的玻璃基材处理方法为：使用碱性洗涤剂超声清洗20-30分钟后再用乙醇超声处理10-15分钟，最后用去离子水冲洗2-3遍，在40-45℃下干燥50-60分钟即可。
5.如权利要求1所述一种适用于汽车挡风玻璃上的自清洁纳米涂层，其特征在于，该纳米涂层在玻璃上的涂覆度厚在0.3-0.5微米之间。
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