CN109504257A - 一种疏水涂料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种疏水涂料，将含氟聚丙烯酸酯与含氟无机纳米粒子结合，形成无机有机复合超疏水涂料。该涂料由A组分和B组分按照一定质量比混合制成，A组分为合成的含氟聚合物树脂和经表面修饰的无机纳米粒子的混合物，B组分为一定浓度的固化剂。本涂料可涂覆于各种基底上，经固化后生成超疏水涂层，使基底具有超疏水性。

Description

一种疏水涂料
技术领域
本发明涉及一种疏水涂料，尤其涉及一种双组份有机无机复合杂化超疏水涂料。
背景技术
一般来说，超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料表面(低表面能)上构建粗糙的微米-纳米结构；另一种是对粗糙表面上修饰低表面能的物质。
超疏水表面被广泛应用于自清洁、防水和油水分离等领域。然而，制备超疏水表面的工艺主要有溶胶凝胶法、气相沉积法、刻蚀法、模板法、阳极氧化法等。大部分超疏水材料制备工艺复杂，需要特殊仪器设备，而且材料表面的微结构极易被破坏，使超疏水性在使用过程中难以保持。
虽然目前关于超疏水涂层构建的报道很多，但涂层强度、柔韧性、对基材的附着力等机械性能不佳，限制了超疏水涂层的应用。到目前为止，国内还没有具备良好机械性能的超疏水涂层或者涂料的报道，因此制备具有良好机械性能的超疏水涂料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种超疏水涂料，将含氟聚丙烯酸酯与无机纳米粒子结合，形成无机有机复合超疏水涂料。其中，含氟聚丙烯酸树脂为涂料提供基本的疏水性，以及形成纳米粒子构筑微观形貌的基底；无机纳米粒子形成微纳复合结构，具有微观的结构孔洞和沟槽形貌，提供超疏水的性质。同时，表面修饰后的无机纳米粒子，由于具有引入了乙烯基、氨基等官能团，能够与含氟丙烯酸树脂及固化剂形成紧密结合，增强纳米粒子与基底的结合力。
为了解决上述技术问题，本发明采取如下方案：
(1)一种疏水涂料，包括A组分和B组分。A组分由含氟聚合物树脂和经表面修饰的无机纳米粒子在一定温度下处理而成；B组分为固化剂。
(2)根据(1)所述的疏水涂料，A组分的制备方法包括以下步骤：
①含氟聚合物树脂由丙烯酸酯类单体、含氟丙烯酸酯类单体、功能单体、引发剂、溶剂加入到反应容器中，往反应容器中充入氮气或氩气等惰性保护气体，在40～150℃温度下搅拌反应1～72h制备而成；
②将无机纳米粒子、表面修饰剂、溶剂加入到反应器中，在惰性气体保护下，30～150℃温度下处理0.1～24h，得到经表面修饰的无机纳米粒子；
③将含②中经表面修饰的无机纳米粒子，加入①中并同时搅拌，在10～150℃温度下处理0.1～48h，得到组分A。
(3)根据(1)或(2)所述的疏水涂料，所述B组分由含异氰酸酯基团的化合物溶解于溶剂中所得，浓度为1％～100％。
(4)根据(1)-(3)任一项所述的疏水涂料，所述A组分与B组分的质量混合比例范围为50:1～1:10，例如50:1，40:1，20:1，10:1，5:1，2:1，1:1，1:2，1:3，1:4，1:5，1:6，1:7，1:8，1:9，1:10。
(5)根据(1)-4)任一项所述的疏水涂料，所述的丙烯酸酯类单体，为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸异辛酯中的一种或至少两种以上的任意组合。
(6)根据(1)-(5)任一项所述的疏水涂料，所述的含氟丙烯酸酯类单体，为甲基丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸六氟丁酯、丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸十三氟辛酯、甲基丙烯酸1H，1H，2H，2H-十七氟癸酯或丙烯酸1H，1H，2H，2H-十七氟癸酯中的一种或至少两种以上的任意组合。
(7)根据(1)-(6)任一项所述的疏水涂料，所述的功能性单体，为N-羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸-2-羟基乙酯、丙烯酸-2-羟基丙酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯、甲基丙烯酸-2-羟基丙酯、丙烯酰胺中的一种或几种至少两种以上的任意组合。
(8)根据(1)-(7)任一项所述的疏水涂料，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯、过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化甲乙酮中的一种或至少两种以上的任意组合。
(9)根据(1)-(8)任一项所述的疏水涂料，所述的无机纳米粒子，为纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米TiO2、纳米消光粉、纳米氧化锌的一种或至少两种以上的任意组合。
(10)根据(1)-(9)任一项所述的疏水涂料，所述的表面修饰剂，为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三异丙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、含氟硅烷偶联剂中的一种或至少两种以上的任意组合。
(11)根据(1)-(10)任一项所述的疏水涂料，所述的超疏水涂料，表面修饰剂与无机纳米粒子的质量比例为1:1000～10:1，例如1:1、1:2、1:3，1:5、1:10、1:20、1:30、1:50、1:80、1:100、1:200、1:500、1:1000、2:1、2:3、3:1、5:1、10:1，优选1:500～1:1。
(12)根据(1)-(11)任一项所述的疏水涂料，所述溶剂为苯甲醚、甲苯、二甲苯、乙苯、重芳烃、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯或丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或至少两种以上的任意组合。
(13)根据(1)-(12)任一项所述的疏水涂料，以质量份数计，A组分中丙烯酸酯类单体10-80份、含氟丙烯酸酯类单体1-90份、功能单体1-30份、引发剂0.01-10份、溶剂20-100份、表面修饰后的无机纳米粒子5-150份。
(14)根据(1)-(13)任一项所述的疏水涂料，所述的含异氰酸酯基团的化合物，为甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、赖氨酸二异氰酸酯(LDI)等化合物及其二聚体、三聚体及预聚物。
(15)根据(1)-(14)任一项所述的疏水涂料，所述各组分混合的过程包括搅拌、超声等方法，搅拌速率在300～3000转/分钟，优选300～1500转/分钟。
(16)根据(1)-(15)任一项所述的疏水涂料，所述涂料可涂覆于玻璃、金属、木材、塑料表面，经过干燥固化后，形成疏水膜。
疏水性能由静态接触角来表征，是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数。水在固体表面形成液滴，在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ，即为静态接触角。
(17)根据(1)-(16)任一项所述的疏水涂料，所述涂料在基底表面形成的疏水膜的静态接触角为100～180°，例如100.1°、105.3°、110.1°、115.2°、117.5°、120.3°、125.9°、128.6°、130.4°、132.1°、138.6°、145.5°、156.4°、163.3、172.5°、178.8°，优选120°～179°。
本发明提供的疏水涂料具有以下有益技术效果：本发明开发的无机有机杂化超疏水涂料，一方面利用有机含氟聚丙烯酸树脂的化学结构与性质可调、具有良好的韧性和加工性能，以及提供一定的基本的疏水性能，为涂料中无机纳米粒子构筑了结合力良好的基底，能够在基底上形成良好的附着力。另一方面，改性后的刚性无机纳米粒子在树脂基底中进行微观分散，形成微纳复合结构，为形成涂层后提供超疏水性能，同时也为涂料提供良好的刚性和机械性能。
附图说明
图1为实施例1中的超疏水涂层的光学照片，所用仪器为Dataphysics公司的OCA25接触角测试仪，接触角θ为136.1°
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员应当理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为对本发明保护范围的限制。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过公开商业途径获得的常规产品。
实施例1：
A组分的制备
(1)氮气条件下，150ml反应瓶内放入约40g乙酸丁酯，升温至80℃，逐步滴入由7.5g甲基丙烯酸甲酯MMA、8.1g甲基丙烯酸丁酯BMA、6.9g甲基丙烯酸羟乙酯HEMA、7.5g甲基丙烯酸十三氟辛酯PFMA的单体和0.66g偶氮二异丁腈AIBN引发剂及20g乙酸丁酯的混合物，0.5h滴完，然后保温2h，补充0.066g AIBN，然后4h后结束反应。
(2)氮气条件下，100ml反应瓶内放入约50g乙酸丁酯、10g纳米SiO2、0.8gγ-氨基丙基三甲氧基硅烷、含氟硅烷偶联剂，搅拌速率100rpm条件下回流反应8h后，得到表面修饰后的纳米SiO2。
(3)在搅拌速率700rpm的条件下，将(2)中制备的表面修饰后的纳米SiO2悬浊液逐步加入到(1)中，80℃处理1h后，得到A组分
B组分的制备：将10g六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶解于30g干燥的乙酸丁酯中，得到B组分。
超疏水涂料制备：将A组分与B组分以10:1的比例进行混合，在300rpm条件下混合均匀，即制得超疏水涂料。
将该涂料涂覆于玻璃片表面，经120℃干燥2h，得到超疏水膜。经测试，该试样静态接触角为136.1°。
实施例2：
A组分的制备
(1)氮气条件下，150ml反应瓶内放入约40g乙酸丁酯，升温至80℃，逐步滴入由7.5g甲基丙烯酸甲酯MMA、6.9g甲基丙烯酸羟乙酯HEMA、15.6g甲基丙烯酸十三氟辛酯PFMA的单体和0.58g偶氮二异丁腈AIBN引发剂及20g乙酸丁酯的混合物，0.5h滴完，然后保温2h，补充0.03g AIBN，然后4h后结束反应。
(2)氮气条件下，100ml反应瓶内放入约30g乙酸丁酯、7g纳米SiO2、1.1g含氟硅烷偶联剂，搅拌速率100rpm条件下回流反应8h后，得到表面修饰后的纳米SiO2。
(3)在搅拌速率700rpm的条件下，将(2)中制备的表面修饰后的纳米SiO2悬浊液逐步加入到(1)中，80℃处理1h后，得到A组分
B组分的制备：将5g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)溶解于10g乙酸丁酯中，得到B组分。
超疏水涂料制备：将A组分与B组分以15:1的比例进行混合，在300rpm条件下混合均匀，即制得超疏水涂料。
将该涂料涂覆于玻璃片表面，经120℃干燥2h，得到超疏水膜。经测试，该试样静态接触角为131.5°。
实施例3：
A组分的制备
(1)氮气条件下，150ml反应瓶内放入约40g丙二醇甲醚醋酸酯，升温至80℃，逐步滴入由7.5g甲基丙烯酸甲酯MMA、8.1g甲基丙烯酸丁酯BMA、6.9g甲基丙烯酸羟乙酯HEMA、7.5g甲基丙烯酸十三氟辛酯PFMA的单体和0.66g偶氮二异丁腈AIBN引发剂及20g丙二醇甲醚醋酸酯的混合物，0.5h滴完，然后保温2h，补充0.066g AIBN，然后4h后结束反应。
(2)氮气条件下，100ml反应瓶内放入约30g丙二醇甲醚醋酸酯、5g纳米TiO2、0.8g乙烯基三乙氧基硅烷、含氟硅烷偶联剂，搅拌速率120rpm条件下回流反应8h后，得到表面修饰后的纳米TiO2。
(3)在搅拌速率1000rpm的条件下，将(2)中制备的表面修饰后的纳米TiO2悬浊液逐步加入到(1)中，80℃处理1h后，得到A组分
B组分的制备：将10g二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)溶解于10g丙二醇甲醚醋酸酯中，得到B组分。
超疏水涂料制备：将A组分与B组分以9:1的比例进行混合，在400rpm条件下混合均匀，即制得超疏水涂料。
将该涂料涂覆于玻璃片表面，经150℃固化干燥2h，得到超疏水膜。经测试，该试样静态接触角为145.2°。
实施例4：
A组分的制备
(1)氮气条件下，150ml反应瓶内放入约40g甲苯，升温至110℃，逐步滴入由9.5g甲基丙烯酸甲酯MMA、8.5g甲基丙烯酸丁酯BMA、4.1g甲基丙烯酸羟乙酯HEMA、10.1g甲基丙烯酸十三氟辛酯PFMA的单体和0.66g偶氮二异丁腈AIBN引发剂及20g乙酸丁酯的混合物，0.5h滴完，然后保温2h，补充0.066g AIBN，然后4h后结束反应。
(2)氮气条件下，100ml反应瓶内放入约50g甲苯、5g纳米SiO2、0.4gγ-氨基丙基三甲氧基硅烷和含氟硅烷偶联剂，搅拌速率100rpm条件下回流反应4h后，得到表面修饰后的纳米SiO2。
(3)在搅拌速率700rpm的条件下，将(2)中制备的表面修饰后的纳米SiO2悬浊液逐步加入到(1)中，80℃处理1h后，得到A组分
B组分的制备：将10g六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶解于20g甲苯中，得到B组分。
超疏水涂料制备：将A组分与B组分以10:1的比例进行混合，在300rpm条件下混合均匀，即制得超疏水涂料。
将该涂料涂覆于玻璃片表面，经150℃干燥2h，得到超疏水膜。经测试，该试样静态接触角为129.6°。
实施例5：
A组分的制备
(1)氮气条件下，150ml反应瓶内放入约40g干燥的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，升温至80℃，逐步滴入由7.5g甲基丙烯酸甲酯MMA、8.1g丙烯酸丁酯BA、6.9g甲基丙烯酸羟乙酯HEMA、7.5g甲基丙烯酸十二氟庚酯DFMA的单体和0.66g BPO引发剂及20g DMF的混合物，0.5h滴完，然后保温2h，补充0.066g BPO，然后4h后结束反应。
(2)氮气条件下，100ml反应瓶内放入约50g DMF、5g纳米氧化锌、0.4gγ-氨基丙基三甲氧基硅烷、含氟硅烷偶联剂，搅拌速率100rpm条件下回流反应8h后，得到表面修饰后的纳米氧化锌。
(3)在搅拌速率700rpm的条件下，将(2)中制备的表面修饰后的纳米氧化锌悬浊液逐步加入到(1)中，80℃处理1h后，得到A组分
B组分的制备：将5g六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶解于10g干燥DMF中，得到B组分。
超疏水涂料制备：将A组分与B组分以10:1的比例进行混合，在300rpm条件下混合均匀，即制得超疏水涂料。
将该涂料涂覆于玻璃片表面，经150℃干燥2h，得到超疏水膜。经测试，该试样静态接触角为135.1°。
上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其他的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种疏水涂料，其特征在于：包括A组分和B组分；对含氟聚合物树脂和经表面修饰的无机纳米粒子进行处理得到所述A组分；所述B组分为固化剂。
2.根据权利要求1所述的疏水涂料，其特征在于：所述A组分的制备方法，包括以下步骤：
a)将丙烯酸酯类单体、含氟丙烯酸酯类单体、功能单体、引发剂、溶剂加入到反应容器中，往反应容器中充入氮气或氩气惰性保护气体，在40～150℃温度下搅拌反应1～72h；
b)将无机纳米粒子、表面修饰剂、溶剂加入到反应器中，在惰性气体保护下，30～150℃温度下处理0.1～24h，得到经表面修饰的无机纳米粒子；
c)将b)中经表面修饰的无机纳米粒子，加入a)中并同时搅拌，在10～150℃温度下处理0.1～48h，得到组分A。
3.根据权利要求1所述的疏水涂料，其特征在于：B组分由含异氰酸酯基团的化合物溶解于溶剂中所得，浓度为1％～100％。
4.根据权利要求1所述的疏水涂料，其特征在于：A组分与B组分的质量混合比例为50:1～1:10。
5.根据权利要求2所述的疏水涂料，其特征在于：
所述的丙烯酸酯类单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸异辛酯中的一种或至少两种以上的任意组合；
所述的含氟丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸六氟丁酯、丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸十三氟辛酯、甲基丙烯酸1H，1H，2H，2H-十七氟癸酯、丙烯酸1H，1H，2H，2H-十七氟癸酯中的一种或至少两种以上的任意组合；
所述功能性单体为N-羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸-2-羟基乙酯、丙烯酸-2-羟基丙酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯、甲基丙烯酸-2-羟基丙酯、丙烯酰胺中的一种或至少两种以上的任意组合；
所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯、过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化甲乙酮中的一种至少两种以上的任意组合。
6.根据权利要求2所述的疏水涂料，其特征在于：所述无机纳米粒子为纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米TiO2、纳米消光粉、纳米氧化锌、碳纳米管、石墨烯的一种或几种的至少两种以上的任意组合。
7.根据权利要求2所述的疏水涂料，其特征在于：所述表面修饰剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三异丙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、含氟硅烷偶联剂中的一种或至少两种以上的任意组合。
8.根据权利要求2所述的疏水涂料，其特征在于：所述表面修饰剂与无机纳米粒子的质量比例为1：1000～10:1。
9.根据权利要求2所述的疏水涂料，其特征在于：所述溶剂为苯甲醚、甲苯、二甲苯、乙苯、重芳烃、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯或丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或至少两种以上的任意组合。
10.根据权利要求2所述的疏水涂料，其特征在于：以质量份数计，A组分中丙烯酸酯类单体10-80份、含氟丙烯酸酯类单体1-90份、功能单体1-30份、引发剂0.01-10份、溶剂20-100份、表面修饰后的无机纳米粒子5-150份。
11.根据权利要求3所述的疏水涂料，其特征在于：所述含异氰酸酯基团的化合物为甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、赖氨酸二异氰酸酯(LDI)及其二聚体、三聚体及预聚物。
12.根据权利要求1所述的疏水涂料，其特征在于：所述疏水涂料可涂覆于玻璃、金属、木材、塑料表面，经过干燥固化后，形成超疏水膜。
13.根据权利要求1所述的疏水涂料，其特征在于：所述疏水涂料在基底表面形成的疏水膜的静态接触角为100～180°。
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