CN109385209A - 高强度有机无机杂化超疏水涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度有机无机杂化超疏水涂层及其制备方法。由单组份常温固化粘结剂和疏水二氧化硅纳米粒子组成，疏水二氧化硅纳米粒子与单组份常温固化粘结剂的质量比为：10:1‑10。所述的单组份常温固化粘结剂的原料的质量份数为：液体环氧树脂：10‑40份，烷氧基硅烷：10‑20份，氨烷基有机硅氧烷：20‑50份，乙醇：10‑20份；所述的液体环氧树脂为环氧当量为180‑230中的一种或几种。将液体环氧树脂、烷氧基硅烷和乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过10‑30分钟后，滴加氨烷基有机硅氧烷，然后继续搅拌2‑6小时。本发明具有高强度、高硬度和良好的附着力；良好的超疏水性能；且制备方法简单，不需要添加固化剂，室温下储存期一年以上，涂层在常温下24h即可固化。

Description

高强度有机无机杂化超疏水涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度有机无机杂化超疏水涂层及其制备方法。
背景技术
超疏水涂层在多个领域都有广泛的应用，例如，自清洁、防腐蚀、防污、防冰、防雾、抗粘附、微流控、传感、电池隔膜等。制备超疏水涂层的两个关键因素是高粗糙度和低表面能，而高粗糙度会导致涂层在实际应用过程中容易受到磨损而失去超疏水性能。因此，如何提高超疏水涂层的强度是现阶段超疏水涂层应用的关键技术难点。无机二氧化硅纳米粒子已被广泛应用于制备超疏水涂层（Tian, P.; Guo, Z. G., Bioinspired silica-basedsuperhydrophobic materials. Applied Surface Science, 2017, 426, 1-18.）。添加有机粘合剂可以有效提高超疏水涂层的机械性能。研究人员已经报道环氧树脂与二氧化硅纳米粒子相结合，可以制备超疏水涂层（[1] Zhang J, Zhang W, Lu J, et al. Aqueousepoxy-based superhydrophobic coatings: Fabrication and stability in water.Progress in Organic Coatings, 2018, 121, 201-208. [2] Jia S, Lu X, Luo S, etal. Efficiently texturing hierarchical epoxy layer for smart superhydrophobicsurfaces with excellent durability and exceptional stability exposed to fire.Chemical Engineering Journal, 2018, 348, 212-223. [3] Xiu Y, Liu Y, Balu B,et al. Robust superhydrophobic surfaces prepared with epoxy resin and silicananoparticles. IEEE Transactions on Components, Packaging and ManufacturingTechnology, 2012, 2, 395-401. [4] Zhong M, Zhang Y, Li X, et al. Facilefabrication of durable superhydrophobic silica/epoxy resin coatings withcompatible transparency and stability. Surface and Coatings Technology, 2018,347, 191-198.）然而，在上述制备超疏水涂层的过程中涂层的固化均需要双组份体系，即环氧树脂和固化剂双组份，并且均需要高温处理使涂层固化。
本发明的目的在于提供一种新的高强度有机无机杂化超疏水涂层及其制备方法，该涂层体系由单组份可常温固化的环氧树脂粘结剂与疏水二氧化硅纳米粒子构成。这种制备方法工艺简单，无需添加固化剂，在常温下24h即可固化，无需高温处理。所制备的涂层具有良好的超疏水性能和优异的机械性能，可应用于自清洁、防腐蚀、防污、防冰、防雾、抗粘附、微流控、传感、电池隔膜等领域。
发明内容
本发明提供一种高强度有机无机杂化超疏水涂层由单组份常温固化粘结剂和疏水二氧化硅纳米粒子组成，疏水二氧化硅纳米粒子与单组份常温固化粘结剂的质量比为：10:1-10，疏水二氧化硅纳米粒子的粒径为20～80nm中的一种或几种；其中，单组份常温固化粘结剂原料组成与质量份数比为：
液体环氧树脂：10-40份
烷氧基硅烷：10-20份
氨烷基有机硅氧烷：20-50份
乙醇：10-20份
所述的液体环氧树脂为环氧当量为180-230其中的一种或几种。
所述的烷氧基硅烷为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷其中的一种或其混合物。
所述的氨烷基有机硅氧烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷其中的一种或其混合物。
所述的单组份常温固化粘结剂的储存期大于一年。
本发明提供的高强度有机无机杂化超疏水涂层的制备方法包括的步骤：
按计量将液体环氧树脂、烷氧基硅烷和乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过10-30分钟后，滴加氨烷基有机硅氧烷，然后继续搅拌2-6小时，得到清澈的粘结剂液体；然后将疏水二氧化硅纳米粒子与制备的粘结剂液体搅拌混合，得到的涂料在金属基材表面通过喷涂的方式制备涂层，在室温下干燥20-24 h后涂层固化，即得高强度有机-无机杂化超疏水涂层。
本发明提供的高强度有机无机杂化超疏水涂层，由于粘结剂为单组份，无需添加固化剂即可常温固化，因此，涂层在常温下24小时后即可固化。涂覆涂层的金属基材具有良好的超疏水性能，水接触角大于150°，滚动角小于10°，且涂层具有优异的机械性能。本发明在常温下即可制备，获得的涂层具有优异的超疏水性能和机械性能，可应用于自清洁、防腐蚀、防污、防冰、防雾、抗粘附、微流控、传感、电池隔膜等领域，具有极大的经济效益和社会效益。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明加以详细说明。实施例中未注明的具体使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到，或本领域的普通技术人员用熟知的方法得到。所涉及的具体实验方法、操作条件，通常按照常规工艺条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
首先，将10份液体环氧树脂（环氧当量为180）、20份四甲氧基硅烷和20份乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过10分钟后，向其中滴加50份3-氨丙基三甲氧基硅烷，最后继续搅拌2小时，得到清澈的粘结剂液体，即为单组份常温固化粘结剂。常温下，按质量比为10:1将粒径为20nm的疏水二氧化硅纳米粒子（阿拉丁，CAS号 112945-52-5）与上述制备的单组份常温固化粘结剂搅拌混合，得到的涂料通过喷涂的方式在金属（例如：铁片）基材表面制备涂层，在室温下干燥24 h后涂层固化，即可得到高强度有机-无机杂化超疏水涂层。
实施例2
首先，将40份液体环氧树脂（环氧当量为200）、10份四乙氧基硅烷和10份乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过20分钟后，向其中滴加40份3-氨丙基三乙氧基硅烷，最后继续搅拌4小时，得到清澈的粘结剂液体，即为单组份常温固化粘结剂。按质量比为10:3将粒径为20nm和60nm的疏水二氧化硅纳米粒子与上述制备的单组份常温固化粘结剂搅拌混合，得到的涂料通过喷涂的方式在金属基材表面制备涂层，在室温下干燥24 h后涂层固化，即可得到高强度有机无机杂化超疏水涂层。
实施例3
首先，将30份液体环氧树脂（环氧当量为230）、10份四甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷的混合物和20份乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过15分钟后，向其中滴加40份3-氨丙基三甲氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷的混合物（1:1），最后继续搅拌6小时，得到清澈的粘结剂液体，即为单组份常温固化粘结剂。按质量比为10:5将粒径为80nm的疏水二氧化硅纳米粒子与上述制备的单组份常温固化粘结剂搅拌混合，得到的涂料通过喷涂的方式在金属基材表面制备涂层，在室温下干燥24 h后涂层固化，即可得到高强度有机无机杂化超疏水涂层。
实施例4
首先，将40份液体环氧树脂（环氧当量为220）、20份四乙氧基硅烷和20份乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过30分钟后，向其中滴加20份3-氨丙基三乙氧基硅烷，最后继续搅拌5小时，得到清澈的粘结剂液体，即为单组份常温固化粘结剂。按质量比为10:10将粒径为50nm的疏水二氧化硅纳米粒子与上述制备的单组份常温固化粘结剂，搅拌混合，得到的涂料通过喷涂的方式在金属基材表面制备涂层，在室温下干燥24 h后涂层固化，即可得到高强度有机无机杂化超疏水涂层。
以上四种方法都能得到高强度有机无机杂化超疏水涂层。分别测试了四种方法所得涂层的静态水接触角（测试方法标准：GB/T30447-2013仪器名称与型号：科诺光学动静态接触角仪，型号：SL200kB测试金属：铁片），并且依标准对实施例的高强度有机无机杂化超疏水涂层进行物理机械性能测试，结果如表1和表2所示，涂层具有优异的物理机械性能和超疏水性能。
表1. 高强度有机无机杂化超疏水涂层的水接触角
表2. 高强度有机无机杂化超疏水涂层的物理机械性能：
项目 指标 标准
附着力，级 5A ASTM D3359-93
柔韧性，mm ≤1 GB/T1731-1993
铅笔硬度，H ≥4 GB/T6739-2006
冲击强度，cm ≥50 GB/T1732-1993

Claims (6)

1.一种有机无机杂化超疏水涂层，其特征在于它是由单组份常温固化粘结剂和疏水二氧化硅纳米粒子组成，疏水二氧化硅纳米粒子与单组份常温固化粘结剂的质量比为：10:1-10，疏水二氧化硅纳米粒子的粒径为20～80nm中的一种或几种；
所述的单组份常温固化粘结剂原料组成的质量份数为：
液体环氧树脂：10-40份
烷氧基硅烷：10-20份
氨烷基有机硅氧烷：20-50份
乙醇：10-20份
所述的液体环氧树脂为环氧当量为180-230中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的有机无机杂化超疏水涂层，其特征在于所述的烷氧基硅烷为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷中的一种或其混合物。
3.根据权利要求1所述的有机无机杂化超疏水涂层，其特征在于所述的氨烷基有机硅氧烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或其混合物。
4.根据权利要求1所述的有机无机杂化超疏水涂层，其特征在于所述的单组份常温固化粘结剂的储存期大于一年。
5.权利要求1所述的有机无机杂化超疏水涂层的制备方法，其特征在于包括的步骤：
按计量将液体环氧树脂、烷氧基硅烷和乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过10-30分钟后，滴加氨烷基有机硅氧烷，然后继续搅拌2-6小时，得到清澈的粘结剂液体；然后将疏水二氧化硅纳米粒子与制备的粘结剂液体搅拌混合，得到的涂料在金属基材表面通过喷涂的方式制备涂层，在室温下干燥20-24 h后涂层固化，即得高强度有机-无机杂化超疏水涂层。
6.一种有机无机杂化超疏水涂层，其特征在于它是由单组份常温固化粘结剂和疏水二氧化硅纳米粒子组成，疏水二氧化硅纳米粒子与单组份常温固化粘结剂的质量比为：10:1-10，疏水二氧化硅纳米粒子的粒径为20～80nm中的一种或几种；
所述的单组份常温固化粘结剂原料组成的质量份数为：
液体环氧树脂：10-40份
烷氧基硅烷：10-20份
氨烷基有机硅氧烷：20-50份
所述的液体环氧树脂为环氧当量为180-230中的一种或几种；
所述的烷氧基硅烷为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷中的一种或其混合物；
所述的氨烷基有机硅氧烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或其混合物；
制备方法包括的步骤：
按计量将液体环氧树脂、烷氧基硅烷和乙醇加入带有搅拌器的烧瓶中，当混合物搅拌超过10-30分钟后，滴加氨烷基有机硅氧烷，然后继续搅拌2-6小时，得到清澈的粘结剂液体；然后将疏水二氧化硅纳米粒子与制备的粘结剂液体搅拌混合，得到的涂料在金属基材表面通过喷涂的方式制备涂层，在室温下干燥20-24 h后涂层固化，即得高强度有机-无机杂化超疏水涂层。
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