CN109082151A - 一种水性超双疏硅溶胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种水性超双疏硅溶胶及其制备方法和应用,主要成份为疏水改性二氧化硅纳米团簇、表面活性剂、氟碳树脂和水,固含量为1wt.%~30wt.%,含水量为70wt.%~99wt.%,二氧化硅纳米团簇由直径20‑30nm纳米球构成,呈串珠状,长度100‑400nm。本发明所提出的制备方法在制备过程中没有使用任何有机溶剂,绿色环保,降低了对人体和环境的伤害,在建筑、家具、家电、节能环保、风电、太阳能电池、电网、飞机等多个领域展现出巨大的应用前景。

Description

一种水性超双疏硅溶胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料制备技术领域,涉及一种水性超双疏硅溶胶制备方法及其应用。
背景技术
超疏水表面(接触角>150°,滚动角小于10°)由于在自清洁、油水分离、抗结冰、冷凝传热、管道减阻等方面展现出巨大的应用前景,因而受到了全世界范围的关注。目前,制备超疏水表面主要是通过在材料表面构建粗糙结构并对其进行低表面能物质修饰,或直接在低表面能材料表面构建粗糙结构。一些被修饰后的纳米颗粒具有很好的微纳二元复合结构,如二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌等,常常被人们用于制备超疏水表面。目前,制备超疏水表面所需的成本还比较高,急需一种成本低廉、工艺简单的制备方法来制备所需的原料(如二氧化硅等)。
在超疏水涂料的发展过程中,有机溶剂的使用一直是阻碍其大面积推广的一个重要的因素。因此,无论是原料,还是制备的工艺,对水作为主要的溶剂的需求与日俱增,且越来越强烈。因此,如何减少甚至是完全杜绝有机溶剂的使用,成为了人们所关注的问题。
基于以上的目的,我们提出了一种水性串珠式二氧化硅的制备方法,在含有表面活性剂的碱性水溶液中加入有机硅烷,通过水解缩合制备水性串珠式二氧化硅。该方法具有简单高效、对设要求低、绿色环保等一系列优点。在超疏水制备领域有着广泛的应用。
发明内容
解决的技术问题:本发明为了拓展纳米超疏水涂层的应用范围,提供一种水性超双疏硅溶胶及其制备方法和应用。该技术设备工艺简单、易操作,适合大规模制备生产。
技术方案:一种水性超双疏硅溶胶 ,主要成份为疏水改性二氧化硅纳米团簇、表面活性剂、氟碳树脂和水,固含量为1wt.%~30wt.%,含水量为70wt.%~99wt.%,二氧化硅纳米团簇由直径20-30nm纳米球构成,呈串珠状,长度100-400nm。
水性超双疏硅溶胶的制备方法,包含如下步骤,按重量份:(1)在10-20份水中,加入0.1-0.5份离子型表面活性剂,搅拌5-10min后加入1-5份氨水;(2)在30-80℃恒温水浴下逐滴滴加5-10份有机硅烷,磁力搅拌12-48h,获得水性串珠式二氧化硅溶胶纳米团簇水溶液;(3)取1-3份种水性串珠式二氧化硅溶胶纳米团簇水溶液,加入到30-80℃恒温水浴处理的60-100份水中,接着加入0.5-1份氨水和0.1-1份非离子或阳离子氟碳表面活性剂,磁力搅拌10-30min;(4)30-80℃恒温水浴和磁力搅拌条件下,逐滴加入0.1-1份正硅酸四乙酯,搅拌0.1-2h后加入0.1-1份十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液,持续搅拌12-48h后,获得水性超双疏硅溶胶。
上述离子型表面活性剂为阴离子型的十二烷基苯磺酸钠或阳离子型的苯扎溴铵。
上述有机硅烷是甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三氯硅烷中的至少一种。
上述阳离子氟碳表面活性剂为水溶性阳离子型全氟丙烯酸共聚物(DuPontForaperLe323)。
上述十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液的溶剂为氢氟醚或全氟辛烷,溶质为十七氟癸基三乙氧基硅烷,浓度为80wt.%-98 wt.%
上述水性超双疏硅溶胶在赋予金属、陶瓷、聚合物、木材或纤维表面具备超疏水超疏油性能中的应用。
上述水性超双疏硅溶胶在增强涂料的疏水疏油性能中的应用。
上述应用具体步骤为:将水性超双疏硅溶胶作为添加剂加入至水性或油性涂料中,或在50-120℃下烘干后以粉体形式加入。
有益效果:(1)本发明所用的原料有机硅烷,硅原子上连接一个甲基基团,当甲基硅烷在水中发生水解时,乙氧基、甲氧基或者氯原子被水分子中的羟基所取代,甲基硅烷变成甲基硅醇,在一定的条件下,硅醇通过羟基与羟基之间的脱水缩合而连接,形成了具有一定尺寸的二氧化硅纳米球,这些纳米球会通过缩合反应而形成串珠状纳米团簇,由于甲基为低表面能基团,所以这些串珠式的二氧化硅自身也具有超疏水性。
(2)本发明所述的串珠状二氧化硅纳米团簇表面覆盖有甲基,在未用全氟硅氧烷进一步改性时,可以单独使用获得超疏水涂层。
(3)将全氟硅氧烷先分散在氢氟醚或全氟辛烷中,可有效避免全氟硅氧烷遇水快速水解交联而沉淀,保证全氟硅氧烷对串珠状纳米颗粒的有效改性。
(4)水性超双疏硅溶胶可以通过喷涂、浸凃、滚涂或浸轧等方式在玻璃、金属、陶瓷、纤维等基底上制备出超双疏涂层,5μL十六烷接触角可达160°以上,滚动角小于5°。
(5)水性超双疏硅溶胶涂层可显著提高基材的防油性、防污性、耐蚀性和防霉性,还可赋予表面优异的抗结露、防覆冰和抗结霜性能。
(6)本发明所用的原料有机硅烷、氨水、表面活性剂等成本低廉、简单易得,显著降低了超疏水涂料的制备成本。
(7)本发明所提出的制备方法在制备过程中没有使用任何有机溶剂,绿色环保,降低了对人体和环境的伤害,在建筑、家具、家电、节能环保、风电、太阳能电池、电网、飞机等多个领域展现出巨大的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所述水性串珠式二氧化硅的透射电子显微镜图片;
图2为实施例2所述的串珠式二氧化硅的实物图;
图3为实施例3所述超疏水粉末的实物图;
图4为实施例4所述三种液体(水、食用油、十六烷)在涂层上的光学照片图;
图5为实施例4所述涂层的扫描电子显微镜图。
具体实施例方式
实施例1
在36 mL去离子水中,加入0.4g十二烷基苯磺酸钠,搅拌均匀,之后滴加2mL氨水(质量分数为28%),持续搅拌30min,之后逐滴滴加15g甲基三乙氧基硅烷,60℃下恒温搅拌24h,即可制备出水性串珠式二氧化硅溶胶纳米团簇水溶液。图1是水性串珠式二氧化硅的透射电子显微镜图片。从图中可以清楚地看出所制备的二氧化硅为串珠式结构。
实施例2
在36 mL去离子水中,加入0.4g十二烷基苯磺酸钠,搅拌均匀,之后滴加2mL氨水(质量分数为28%),持续搅拌30min,之后逐滴滴加15g甲基三氯基硅烷,60℃下恒温搅拌24h,即可制备出水性串珠式二氧化硅溶胶纳米团簇水溶液。图2是水性串珠式二氧化硅的实物图。从图中可以看出,水性串珠式二氧化硅呈乳白色溶胶状。
实施例3
将实施例1中的水性串珠式二氧化硅溶胶纳米团簇水溶液在80℃下烘干,即可制备出超疏水的二氧化硅纳米粉末。图3是二氧化硅超疏水粉末的实物图。从图中可以看出,粉末展现出优异的超疏水性能。或者将水性串珠式二氧化硅按质量比为1:1用水稀释,喷涂在金属或者玻璃片上。即可获得接触角为158°滚动角为1°的超疏水表面。
实施例4
以实施例1中所制备的水性串珠式二氧化硅为原料,可制备出超双疏的涂层。主要步骤如下:将4mL氨水、80mL去离子水混合均匀,加入1.2g水性串珠式二氧化硅(直径20-30nm,链长100-400nm)和0.5g氟碳表面活性剂DuPont ForaperLe323,搅拌分散均匀。之后,逐滴滴加0.8g正硅酸四乙酯,搅拌30min后,逐滴滴加0.8g十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液(溶剂为氢氟醚,溶质为十七氟癸基三乙氧基硅烷,浓度为98 wt.%),45℃下磁力搅拌24h后获得水性超双疏涂料。将所制备的出的水性涂料喷涂在玻璃片上,即可获得超双疏的涂层。涂层十六烷接触角可达150°,滚动角为6.3°。图4是三种液体(水、食用油、十六烷)在涂层上的光学照片图。从图中可以看出,该涂层具有优良的超双疏性能。图5是涂层的扫描电子显微镜图。

Claims (9)

1.一种水性超双疏硅溶胶 ,其特征在于主要成份为疏水改性二氧化硅纳米团簇、表面活性剂、氟碳树脂和水,固含量为1wt.%~30wt.%,含水量为70wt.%~99wt.%,二氧化硅纳米团簇由直径20-30nm纳米球构成,呈串珠状,长度100-400nm。
2.权利要求1所述水性超双疏硅溶胶的制备方法,其特征在于包含如下步骤,按重量份:
(1)在10-20份水中,加入0.1-0.5份离子型表面活性剂,搅拌5-10min后加入1-5份氨水;
(2)在30-80℃恒温水浴下逐滴滴加5-10份有机硅烷,磁力搅拌12-48h,获得水性串珠式二氧化硅溶胶纳米团簇水溶液;
(3)取1-3份种水性串珠式二氧化硅溶胶纳米团簇水溶液,加入到30-80℃恒温水浴处理的60-100份水中,接着加入0.5-1份氨水和0.1-1份非离子或阳离子氟碳表面活性剂,磁力搅拌10-30min;
(4)30-80℃恒温水浴和磁力搅拌条件下,逐滴加入0.1-1份正硅酸四乙酯,搅拌0.1-2h后加入0.1-1份十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液,持续搅拌12-48h后,获得水性超双疏硅溶胶。
3.根据权利要求2所述水性超双疏硅溶胶的制备方法,其特征在于所述离子型表面活性剂为阴离子型的十二烷基苯磺酸钠或阳离子型的苯扎溴铵。
4.根据权利要求2所述水性超双疏硅溶胶的制备方法,其特征在于所述有机硅烷是甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三氯硅烷中的至少一种。
5.根据权利要求2所述水性超双疏硅溶胶的制备方法,其特征在于所述阳离子氟碳表面活性剂为水溶性阳离子型全氟丙烯酸共聚物(DuPont ForaperLe323)。
6.根据权利要求2所述水性超双疏硅溶胶的制备方法,其特征在于所述十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液的溶剂为氢氟醚或全氟辛烷,溶质为十七氟癸基三乙氧基硅烷,浓度为80wt.%-98 wt.%。
7.权利要求1所述水性超双疏硅溶胶在赋予金属、陶瓷、聚合物、木材或纤维表面具备超疏水超疏油性能中的应用。
8.权利要求1所述水性超双疏硅溶胶在增强涂料的疏水疏油性能中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于具体步骤为将水性超双疏硅溶胶作为添加剂加入至水性或油性涂料中,或在50-120℃下烘干后以粉体形式加入。
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