CN108912867A - 一种环保高透明超疏水涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保高透明超疏水涂料及其制备方法和制备透明耐久超疏水涂层中的应用，该环保高透明超疏水涂料主要是由以下原料制成：挥发性有机溶剂30‑50份，水5‑10份，疏水性微纳颗粒0.1‑2份，疏水性树脂0.1‑1份，固化剂0.01‑0.1份。与现有技术相比，本发明制备的涂层制备方法简单易操作、设备要求低，环保不含氟、成本低廉，有利于大规模工业化生产，所制备的涂层具有多种用途且不受基材种类和大小的限制，可大面积施工，在自清洁、防腐防霉、织物处理和油水分离方面有很大的商业价值。

Description

一种环保高透明超疏水涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种环保高透明超疏水涂料及其制备方法和应用，属于疏水涂料技术领域。
背景技术
接触角大于150°，滚动角小于10°的表面被定义为超疏水表面，基于其广泛的潜在应用，研究人员对超疏水表面进行了大量的研究。经过多年努力，超疏水表面在自清洁、防污、防结冰、油水分离等方面的应用被开发。但是目前超疏水表面的制备方法主要是通过仿生的方法构造粗糙结构，然后采用氟硅烷等进行低表面能修饰。普遍存在的问题是制备工艺复杂，成本高昂，施工工艺复杂，透明度低，耐磨性、耐久性差等问题。对基材的种类和大小要求比较高，实现大规模生产、大面积施工的难度大。其中，为了解决超疏水表面耐磨性、耐久性差，目前开发了三种方法：构造自修复超疏水表面；构造多孔超疏水块体材料；低成本超疏水表面的快速重新构造。前两种方法的构造过程十分复杂，且制备涂层不透明；第三种方法简单便捷，有利于大规模生产和施工，成为研究热点。
目前的研究发现，涂层的超疏水性，耐磨性和透明度是三个相互影响的因素。实现超疏水所需的高微纳米粗糙结构降低了涂层的耐磨性和透明度；实现超疏水且耐磨所需的大颗粒微米结构使涂层变的不透明；实现超疏水且透明所需的粗糙度小于100nm的微观结构使涂层变的脆弱。因此，如何在这三者之间找到平衡点，在保证涂层超疏水性，高透明的基础上提高其耐磨性成为研究热点。
近年来，研究者提出可以通过添加粘结剂的方法增强涂层的耐磨性，通常为在基材上预先施加底漆，半固化时再施加透明超疏水涂层，提高与基底结合力，这使得工艺变复杂，增加成本，且涂层在失效后不易被重新构造。
发明内容
发明目的：为了解决超疏水表面不透明，不耐磨、耐久，工艺复杂等问题，本发明提供一种环保高透明超疏水涂料及其制备方法和应用。本发明制备过程温和，施工工艺简单，成本低廉，比较环保，适合大规模制备生产和施工。
技术方案：为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种环保高透明超疏水涂料，其主要是由以下原料制成：
挥发性有机溶剂30-50份，水5-10份，疏水性微纳颗粒0.1-2份，
疏水性树脂0.1-1份，固化剂0.01-0.1份。
优选：
挥发性有机溶剂35-50份，水5-10份，疏水性微纳颗粒0.1-1份，
疏水性树脂0.1-1份，固化剂0.05-0.1份。
所述挥发性有机溶剂为酮类、醇类或脂类中的一种或多种，水为蒸馏水。
所述疏水性微纳颗粒为粒径10nm-10um的疏水性二氧化钛、金刚砂、碳纳米管、二氧化硅、炭黑中的一种或多种。
所述疏水性树脂为能室温固化的氟碳树脂或有机硅树脂中的一种或多种，所述氟碳树脂可以选择FEVE氟碳树脂，所述有机硅树脂可以选择甲基硅树脂。
所述固化剂为二异氰酸酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
所述环保高透明超疏水涂料的制备方法，包括以下步骤：
将疏水性微纳颗粒加入到挥发性有机溶剂和水的混合溶液中，搅拌、超声分散，随后在搅拌状态下加入疏水性树脂和固化剂，继续搅拌，即获得所述环保高透明超疏水涂料。
更具体地，包括以下步骤：
将疏水性微纳颗粒加入到挥发性有机溶剂和水的混合溶液中，在500rpm-1000rpm高速机械搅拌15-30min，再超声分散10-15min，随后在100-500rpm低速机械搅拌状态下加入疏水性树脂和固化剂，搅拌15-30min，即获得所述环保高透明超疏水涂料。
所述环保高透明超疏水涂料在制备透明耐久超疏水涂层中的应用，应用时，将超疏水涂料用喷涂设备喷涂在任意基材上，溶液在重力作用下流平即可，无需任何后处理，室温下自然干燥30-60min，即可获得高透明度的耐久超疏水涂层。
优选，所述喷涂设备包括两部分：按压式喷雾瓶和喷头；所述的按压式压力瓶是铝罐或厚塑料瓶。所述喷头是内直径为0.2-0.5mm的雾化喷头。
所述基材为玻璃、纸张、金属、织物、鞋子、木材或混凝土。
本发明提出了一种新的制备环保高透明超疏水处理剂的方法及喷涂工艺，有效的平衡了涂层的耐磨性、耐久性，超疏水性和透明性三者。在保证超疏水性和高透明度的基础上，涂层具有一定的耐磨性和耐久性。即使超疏水涂层被严重破坏，重新构造同样的涂层也非常简单，且无需专业的设备，无需高温加热，无基底依赖性。利用喷涂技术，可将低成本超疏水溶液广泛应用于各种常见基材，对多种混合液体同样有超疏水性，包括泥水，牛奶，咖啡，果汁，可乐等。
技术效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下技术优势：
(1)采用疏水性微纳颗粒提供低表面能和构造高粗糙度的微纳米结构，有利于提高涂层的超疏水性；
(2)疏水性微纳粒子构造的粗糙结构比较脆弱，在疏水性树脂的粘合作用下，提高了微纳粒子之间的粘结性，同时提高了与基材之间的结合力，增加涂层的耐久性；
(3)充分分散的微纳粒子和稀释的疏水性树脂在超疏水溶液中能稳定存在，制备的样品能长时间保存，有利于运输和储存；
(4)透明的疏水性微纳粒子和透明的疏水性树脂以合适的比例结合，共同构造了高透明的超疏水涂层，具体指标是：静态接触角大于150°，滚动角小于10°；
(5)本发明所述制备方法对基底材料的种类和大小没有要求，能简单快速的在玻璃、纸张、金属、织物、鞋子、木材、混凝土等常见基材表面制备透明耐久超疏水涂层，对多种混合液体同样有超疏水性，包括泥水，牛奶，咖啡，果汁，可乐等。喷涂工艺简单，易操作，成本低廉，有利于大规模工业化生产，可大面积施工，在自清洁、防腐防霉、织物处理和油水分离方面有很大的商业价值。
附图说明
图1为本发明所制备的超疏水涂层的水滴接触角光学照片；
图2为本发明超疏水涂料涂覆在抛光硅片后的低倍扫描电镜图片；
图3为本发明超疏水涂料涂覆在抛光硅片后的高倍扫描电镜图片；
图4为本发明在不同基材上所制备的超疏水涂层的水滴接触角光学照片，包括：a不锈钢板，b木材，c织物，d纸张。
具体实施方式
为了更好的理解和应用本发明，下面将结合实施例进一步阐释本发明的内容，但是本发明不仅仅局限于下面的实施例，任何对本发明的等价形式的更改都应当在本申请所列权利要求书限定范围内。
实施例1
将1份疏水性碳纳米管加入到50份乙酸丁酯和5份蒸馏水的混合溶液中，500rpm高速搅拌15min，超声10min，随后在100rpm低速机械搅拌下加入0.5份FEVE树脂，0.1份六亚甲基二异氰酸酯固化剂，搅拌30min。将所得涂料用市售喷壶喷涂在玻璃片表面，室温固化60min，其水接触角为160°，滚动角为3°。图1为所得涂层的水滴接触角光学照片。
实施例2
将0.1份疏水性纳米二氧化钛加入到40份乙醇和10份蒸馏水的混合溶液中，1000rpm高速搅拌30min，超声15min，随后在300rpm低速机械搅拌下加入1份甲基硅树脂，0.1份乙烯基三甲氧基硅烷固化剂，搅拌15min。将所得涂料用市售喷壶喷涂在玻璃片表面，室温固化60min，其水接触角为153°，滚动角为8°。图2为实施例中超疏水处理剂涂覆在抛光硅片后的低倍扫描电镜图片。
实施例3
将0.5份疏水性二氧化硅加入到50份异丙醇和10份蒸馏水的混合溶液中，1000rpm高速搅拌30min，超声15min，随后在500rpm低速机械搅拌下加入0.1份甲基硅树脂，0.05份γ-氨丙基三乙氧基硅烷固化剂，搅拌15min。将所得涂料用市售喷壶喷涂在玻璃片表面，室温固化60min。其水接触角为162°，滚动角为2°。图3为实施例中超疏水处理剂涂覆在抛光硅片后的高倍扫描电镜图片。
实施例4
将0.2份疏水性二氧化硅加入到35份丙酮醇和10份蒸馏水的混合溶液中，700rpm高速搅拌30min，超声10min，随后在300rpm低速机械搅拌下加入0.1份FEVE树脂，0.05份六亚甲基二异氰酸酯固化剂，搅拌15min。将所得涂料用市售喷壶喷涂在玻璃片表面，室温固化60min。其水接触角为158°，滚动角为5°。将实施例中所得涂料喷涂在不同基材上制备透明超疏水涂层。包括不锈钢板(图4a.)，木材(图4b.)，织物(图4c.)，纸张(图4d.)上面的超疏水涂层的水滴接触角光学照片。
实施例5
将1份疏水性碳纳米管加入到40份异丙醇和10份蒸馏水的混合溶液中，1000rpm高速搅拌30min，超声15min，随后在100rpm低速机械搅拌下加入1份甲基硅树脂，0.1份辛基三甲氧基硅烷固化剂，搅拌15min。将所得涂料用市售喷壶喷涂在玻璃片表面，室温固化60min。其水接触角为160°，滚动角为3°。设定滴落距离为30cm，经过33000滴水滴(约90uL)冲击测试，玻璃涂层仍保持150°的水接触角和小于10°的滚动角。
对比例
将1份疏水性碳纳米管加入到40份异丙醇和10份蒸馏水的混合溶液中，1000rpm高速搅拌30min，超声15min。将所得涂料用市售喷壶喷涂在玻璃片表面，室温干燥60min。其水接触角为158°，滚动角为3°。设定滴落距离为30cm，经过10滴水滴(约90uL)冲击测试，玻璃涂层完全被水破坏，失去超疏水性。
透过率测试：
取实施例3中以玻璃为基材的涂层进行透过率测试。纯玻璃的平均透过率为91.1％，以玻璃为基底的涂层平均透过率为91.03％，其中在500nm波长后，涂层玻璃的透过率大于纯玻璃的透过率，达到92.5％。

Claims (10)

1.一种环保高透明超疏水涂料，其特征在于，其主要是由以下原料制成：
挥发性有机溶剂30-50份，水5-10份，疏水性微纳颗粒0.1-2份，
疏水性树脂0.1-1份，固化剂0.01-0.1份。
2.根据权利要求1所述的环保高透明超疏水涂料，其特征在于，所述挥发性有机溶剂为酮类、醇类或脂类中的一种或多种，水为蒸馏水。
3.根据权利要求1所述的环保高透明超疏水涂料，其特征在于，所述疏水性微纳颗粒为粒径10nm-10um的疏水性二氧化钛、金刚砂、碳纳米管、二氧化硅、炭黑中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的环保高透明超疏水涂料，其特征在于，所述疏水性树脂为能室温固化的氟碳树脂或有机硅树脂中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的环保高透明超疏水涂料，其特征在于，所述固化剂为二异氰酸酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
6.权利要求1-5任一项所述环保高透明超疏水涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将疏水性微纳颗粒加入到挥发性有机溶剂和水的混合溶液中，搅拌、超声分散，随后在搅拌状态下加入疏水性树脂和固化剂，继续搅拌，即获得所述环保高透明超疏水涂料。
7.根据权利要求6所述的环保高透明超疏水涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将疏水性微纳颗粒加入到挥发性有机溶剂和水的混合溶液中，在500rpm-1000rpm高速机械搅拌15-30min，再超声分散10-15min，随后在100-500rpm低速机械搅拌状态下加入疏水性树脂和固化剂，搅拌15-30min，即获得所述环保高透明超疏水涂料。
8.权利要求1-5任一项所述环保高透明超疏水涂料在制备透明耐久超疏水涂层中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，应用时，将超疏水涂料用喷涂设备喷涂在任意基材上，溶液在重力作用下流平即可，无需任何后处理，室温下自然干燥30-60min，即可获得高透明度的耐久超疏水涂层。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述基材为玻璃、纸张、金属、织物、鞋子、木材或混凝土。
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