CN109575769A - 一种超疏水及超疏油涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超疏水及超疏油涂层材料领域，具体公开一种超疏水及超疏油涂层及其制备方法，该超疏水及超疏油涂层的具体制备方法如下：向溶剂中加入碳氟表面活性剂、全氟硅辛基硅氧烷以及纳米颗粒，再经过充分搅拌得到均匀的复合溶胶，并将该溶胶涂覆到基底材料表面，最后经过高温固化处理后在基底材料表面得到超疏水及超疏油涂层，本方法在基底材料表面制备的超疏水及超疏油涂层具有优异的稳定性和耐磨性能，同时该制备方法具有制备过程简单、环保、成本低、适用面广等优点。

Description

一种超疏水及超疏油涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于超疏水及超疏油材料领域，具体涉及一种超疏水及超疏油涂层的制备方法。
背景技术
受到自然中许多生物(如荷叶、水稻叶、蝉翼和水黾腿)的表面具有超疏水、抗污染和自清洁效果，科学家研究发现这种超疏水表面主要是由具有分级粗糙度和低表面能的材料所构成，并通过仿生技术将超疏水表面应用在不同的领域实现材料的超疏水及抗污染效果，但是随着社会发展，单一的超疏水涂层已不能满足人们的需求，因为超疏水涂层大部分都不具有很好的抗油污特性即超疏油特性，为了解决在含油领域的应用需要开发多功能性的超疏水及超疏油表面。
超疏水及超疏油表面是指同时具有超疏水、超疏油特性的一类表面，其与水、油的接触角都大于150°，但是超疏水及超疏油表面比疏水或疏油表面更复杂，在实际应用中也有着巨大潜力，其可用于油井、地热开采、地下采矿的管道内壁上，防止石油等物质对管道的黏附，进而减少管道堵塞及运输过程中的能量损耗问题；可用于纺织物上以制备防水、防油、防污染的服装；可用于汽车、建筑物玻璃上以达到防水、防尘、防污的要求；还可用于船舶、飞机、汽车、大型桥梁建筑表面的涂饰，以达到防腐、防污、减小摩擦和阻力的效果，还可以用在膜蒸馏抗污染改性领域，可以提高膜蒸馏过程中膜材料表面的抗水及油浸润污染能力，所以超疏水及超疏油表面的开发与研制受到了广泛的关注和研究。
超疏水及超疏油表面需要具有低表面能的同时具有很高的粗糙结构，这是因为材料表面具有低表能时可以阻止高表面能液体的浸润，而粗糙的表面结构可以在固体表面与液体之前形成气隙进一步阻止液体的浸润；目前设计超疏水及超疏油表面主要是通过以下两种方法实现：(1)降低粗糙表面的表面能，即通过低表能物质处理具有粗糙结构的材料表面来实现；(2)提高低表面能材料的粗糙度，即提高低表面能物质表面的粗糙度。氟化物因为具有低表面能、强稳定性的优点而广泛用于降低材料表面的表面能进而提高材料表面的疏水及疏油性能，同时纳米颗粒可以使材料表面具有很高的粗糙度，因此目前主要通过低表面能的氟化物与无机颗粒相结合的方法来在材料表面构筑超疏水及超疏油表面。
目前为了制备超疏水及超疏油表面，研究人员进行了大量的研究，如专利201310345228.X将纳米粒子、环氧树脂及溶剂进行共混得到环氧树脂杂化溶液，将含氟物质及催化剂溶于溶剂中制备得到含氟溶液；将环氧树脂杂化溶液喷涂到基材表面，经过热处理后，再将上述含氟溶液喷涂于基材表面，再将上述基材经过热处理后得到稳定透明的超疏水及超疏油涂层；专利201110266897.9通过制备了一种含氟的双疏特性功能微球，并通过浸没涂覆法使其在材料表面，再依次用含氟溶剂、甲醇、水洗涤，最后真空干燥，即在材料表面得到超双疏性表面，该超双疏性表面具有很好的耐擦洗和耐腐蚀性。专利201410321725.0在含氟硅烷聚合物溶液中加入正硅酸乙酯、水和盐酸进行水解反应制得混合液；之后又加入纳米二氧化硅进而得到混合均匀得到复合溶胶，并将该溶胶涂覆在基材上，最后固化干燥获得所述超疏水及超疏油涂层。专利201510770548.9将含有成膜物质、有机溶剂、防水防油剂份以及碳纳米管组成的溶液涂覆到金属材料表面，进而在金属板表面得到超疏水及超疏油涂层。
但是目前在材料表面制备超疏水及超疏油涂层的仍然存在以下几个问题：(1)超疏水及超疏油表面的疏水及疏油能力差，(2)超疏水及超疏油表面稳定性较和耐摩擦性能差；(3)制备过程条件苛刻、步骤繁琐、成本高而且不易大规模生产应用。
因此，为了解决以上存在的问题需要开发出一种简单、易于实现且绿色环保的超疏水超疏油表面的制备技术，并且制备的超疏水及超疏油涂层具有很高的稳定性和耐摩擦性能成为未来主要的研究方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种新型超疏水及超疏油涂层材料，本发明的另一目的还提供了一种新型超疏水及超疏油涂层的制备方法，解决了当前制备超疏水及超疏油涂层材料存在生产成本高、工艺复杂、不能规模化生产的问题。
本发明实现目的的技术方案如下：
一种超疏水及超疏油性涂层，包括碳氟表面活性剂、全氟辛基硅氧烷以及纳米颗粒。
一种新型超疏水及超疏油涂层的制备方法，包括下述步骤：
⑴基底材料的预处理：将基底材料表面经过清洗剂清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取0.1-10wt％的碳氟表面活性剂，0.1-10wt％全氟辛基硅氧烷以及1-10wt％的纳米颗粒加入到溶剂中并充分搅拌；
⑶功能层涂覆：将步骤⑵中制备的溶胶涂覆到基底材料表面；
⑷将⑶中涂覆后的基底材料经过80-160℃的热处理10min-180min。
所述的超疏水及超疏油涂层及其制备方法，其特征在于：步骤(1)所述清洗剂包括溶剂、无机溶剂及表面活性清洁剂；步骤(2)所述溶剂为无水乙醇、水、丙酮、甲醇、异丙醇、乙二醇中的一种或几种的混合溶液。
所述一种超疏水及超疏油性涂层及其制备方法，其特征在于：步骤(2)中所用碳氟
表面活性剂为阴离子型聚氨酯类碳氟表面活性剂，其结构式(Ⅰ)为：
n为5-13,m为10-30,x为1-10，y为1-10
所述的超疏水及超疏油涂层及其制备方法，其特征在于：所述纳米颗粒包括但不限于但不限于无机纳米颗粒、高分子纳米颗粒中的一种或几种的混合，比如但不限于纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米银颗粒、纳米氧化铝、纳米碳酸钙，等，纳米颗粒直径为10nm-100nm。
所述的超疏水及超疏油涂层及其制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的基底材料包括金属、无机非金属、有机材料，以及其复合材料，所述的基底材料包括无孔和多孔材料。
所述的超疏水及超疏油涂层及其制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的涂覆方法为喷涂法、浸没涂覆法、旋涂法。
本发明具有以下优点:
1、制备超疏水及超疏油涂层的原料易得、成本低、所需设备及制备工艺简单，并且通过简单的涂覆方法就可以获得超疏水及超疏油表面。
2、本发明方法制备的超疏水及超疏油涂层，对水和油均具有较大的表面接触角(大于150°)，水珠和油滴在上面能自由滚动并带走表面灰尘从而实现自洁功能。
3、本发明制备的超疏水及超疏油涂层材料与基底材料之间的具有很强的粘接性能，因此所制超疏水及超疏油涂层在基体表面具有稳定性强、耐摩擦性能强等优点。
4、本发明方法制备的超疏水及超疏油涂层，可用于汽车、飞机、航天器、建筑材料表面起到防尘、抗污染、自清洁的作用，也可以用在膜蒸馏过提高膜材料表面的抗污染的性能。
具体实施例
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明通过将碳氟表面活性剂、全氟辛基硅氧烷以及纳米颗粒加入到溶剂中制备得到溶胶，并将该溶胶涂覆到基质表面，再经过热处理后得到超疏水及超疏油涂层，具体制备过程如下：
一种超疏水及超疏油涂层的制备方法，步骤如下：
⑴基底材料的预处理：将基底材料表面经过清洗剂清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取0.1-10wt％的碳氟表面活性剂，0.1-10wt％全氟辛基硅氧烷以及1-10wt％的纳米颗粒加入到溶剂中并充分搅拌；
⑶功能层涂覆：将步骤⑵中制备的溶胶涂覆到基底材料表面；
⑷将⑶中涂覆后的基底材料经过80-160℃的热处理10min-180min。
为易于进一步理解本发明，下列实施例将对本发明作进一步阐述。这些实施例具有一定的代表性，但不能囊括所有实例，仅用于更加清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围：
实施例1
一种超疏水及超疏油涂层的制备方法，步骤如下：
⑴无机致密玻璃的预处理：将无机致密的玻璃片经过有机溶剂无水乙醇清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取0.5g的碳氟表面活性剂，其中碳氟表面活性剂的结构式为(Ⅰ)并且具体n为5,m为30,x为10，y为1，0.1g全氟辛基硅氧烷以及1g的颗粒直径为10nm的纳米二氧化硅颗粒加入到100g的乙醇中并充分搅拌12h；
⑶功能层涂覆：将步骤(2)中制备的溶胶涂通过喷涂法涂覆到玻璃片表面；
⑷将⑶中涂覆后的基底材料经过80℃的热处理180min。
对涂覆后的无机致密玻璃片进行水接触角及油接触角实验测试：对水的接触角为155.3°，而对硅油的接触角为151.2°、对柴油的接触角为154.3°、对植物油的接触角为157.3°、对煤油的接触角均为154.6°，表明涂覆到无机致密玻璃的涂层具有超疏水及超疏油特性。
涂层的耐磨性能测试：使用1000目的砂纸反复打磨1000次制备的超疏水及超疏油涂层，测试打磨后的涂覆超疏水及超疏油涂层的无机致密玻璃对水的接触角153.7°，对硅油的接触角为150.2°、对柴油的接触角为151.8°、对植物油的接触角为155.9°、对煤油的接触角均为153.1°，表明该涂层具有优异的稳定性和耐磨性能。
实施例2
一种超疏水及超疏油涂层的制备方法，步骤如下：
⑴金属不锈钢网的预处理：将孔径为1微米的金属不锈钢网经过表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的水溶液清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取10g的碳氟表面活性剂，其中碳氟表面活性剂的结构式为(Ⅰ)并且具体n为10,m为5,x为1，y为10，1g全氟辛基硅氧烷以及10g的颗粒直径为100nm的纳米二氧化钛颗粒加入到100g的水中并充分搅拌12h；
⑶功能层涂覆：将步骤(2)中制备的溶胶通过浸没涂覆法涂覆到金属不锈钢网的表面；
⑷将⑶中涂覆后的金属不锈钢网经过160℃的热处理10min。
对涂覆后的金属不锈钢网进行水接触角及油接触角实验测试：对水的接触角为165.3°，而对硅油的接触角为153.4°、对柴油的接触角为151.5°、对植物油的接触角为159.1°、对煤油的接触角均为150.6°，表明涂覆到金属不锈钢网的涂层具有超疏水及超疏油特性。
涂层的耐磨性能测试：使用1000目的砂纸反复打磨1000次制备的涂覆超疏水及超疏油涂层的金属不锈钢网，测试打磨后的涂覆超疏水及超疏油涂层的金属不锈钢网对水的接触角161.7°，对硅油的接触角为152.3°、对柴油的接触角为150.5°、对植物油的接触角为152.6°、对煤油的接触角均为150.1°，表明涂覆在金属不锈钢网的超疏水及超疏油涂层具有优异的稳定性和耐磨性能。
实施例3
一种超疏水及超疏油涂层的制备方法，步骤如下：
⑴高分子聚四氟乙烯多孔膜的预处理：将孔径为0.22微米的高分子聚四氟乙烯膜经过有机溶剂异丙醇清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取5g的碳氟表面活性剂，其中碳氟表面活性剂的结构式为(Ⅰ)并且具体n为13,m为21,x为7，y为6，8g全氟辛基硅氧烷以及5.0g颗粒直径为75nm的纳米银颗粒加入到100g的丙酮溶剂中并充分搅拌12h；
⑶功能层涂覆：将步骤(2)中制备的溶胶通过旋涂法覆到聚四氟乙烯膜表面；
⑷将⑶中涂覆后的高分子聚四氟乙烯多孔膜经过160℃的热处理10min。
对涂覆后的聚四氟乙烯多孔膜对水的接触角为163.2°，而对硅油的接触角为154.2°、对柴油的接触角为155.1°、对植物油的接触角为151.0°、对煤油的接触角均为153.7°，表明涂覆到高分子聚四氟乙烯多孔膜表面的涂层具有超疏水及超疏油特性。
涂层的耐磨性能测试：使用1000目的砂纸反复打磨1000次制备的涂覆超疏水及超疏油涂层的高分子聚四氟乙烯多孔膜，测试打磨后的涂覆超疏水及超疏油涂层的高分子聚四氟乙烯多孔膜对水的接触角158.9°，对硅油的接触角为153.1°、对柴油的接触角为154.8°、对植物油的接触角为150.9°、对煤油的接触角均为153.0°，表明涂覆在高分子聚四氟乙烯多孔膜表面的超疏水及超疏油涂层具有优异的稳定性和耐磨性能。
实施例4
一种超疏水及超疏油涂层的制备方法，步骤如下：
⑴多孔的无机二氧化硅陶瓷膜的预处理：孔径为3μm的二氧化硅陶瓷膜中经过表面清洗剂吐温80清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取1.5g的碳氟表面活性剂，其中碳氟表面活性剂的结构式为(Ⅰ)并且具体n为9,m为14,x为3，y为4，7.5g全氟辛基硅氧烷以及5.5g的颗粒直径为25nm的纳米氧化铝颗粒加入到100g的异丙醇溶剂中并充分搅拌12h；
⑶功能层涂覆：将步骤(2)中制备的溶胶通过喷涂法涂覆到多孔的二氧化硅陶瓷膜表面；
⑷将步骤⑶中涂覆后的多孔无机二氧化硅陶瓷膜经过120℃的热处理45min。
对涂覆后的多孔的无机二氧化硅陶瓷膜对水的接触角为158.1°，而对硅油的接触角为159.2°、对柴油的接触角为151.3°、对植物油的接触角为155.4°、对煤油的接触角均为150.7°，表明涂覆到多孔无机二氧化硅陶瓷膜表面的涂层具有超疏水及超疏油特性。
涂层的耐磨性能测试：使用1000目的砂纸反复打磨1000次制备的涂覆超疏水及超疏油涂层的无机二氧化硅陶瓷膜，测试打磨后的涂覆有超疏水及超疏油涂层的无机二氧化硅陶瓷膜的对水的接触角为157.5°，对硅油的接触角为154.2°、对柴油的接触角为150.8°、对植物油的接触角为153.4°、对煤油的接触角均为150.5°，表明涂覆在无机二氧化硅陶瓷膜表面的超疏水及超疏油涂层具有优异的稳定性和耐磨性能。
实施例5
一种超疏水及超疏油涂层的制备方法，步骤如下：
⑴有机棉布的预处理：将有机棉布中经过有机溶剂甲醇清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取6.30g的碳氟表面活性剂，其中碳氟表面活性剂的结构式为(Ⅰ)并且具体n为7,m为11,x为4，y为9，0.75g全氟辛基硅氧烷以及3.75g的颗粒直径为80nm的无机二氧化钛颗粒加入到100g的乙二醇中并充分搅拌12h；
⑶功能层涂覆：将步骤(2)中制备的溶胶通过喷涂到棉布基质表面；
⑷将⑶中涂覆后的基底材料经过120℃的热处理45min。
对涂覆后的有机棉布对水的接触角为163.8°，而对硅油的接触角为156.3°、对柴油的接触角为154.7°、对植物油的接触角为158.2°、对煤油的接触角均为157.7°，表明涂覆到有机棉布表面的涂层具有超疏水及超疏油特性。
涂层的耐磨性能测试：使用1000目的砂纸反复打磨1000次制备的涂覆超疏水及超疏油涂层的有机棉布，测试打磨后的涂覆超疏水及超疏油涂层的有机棉布对水的接触角161.7°，对硅油的接触角为155.2°、对柴油的接触角为153.4°、对植物油的接触角为156.2°、对煤油的接触角均为152.9°，表明涂覆在有机棉布的超疏水及超疏油涂层具有优异的稳定性和耐磨性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超疏水及超疏油性涂层，其特征在于：包括碳氟表面活性剂、全氟辛基硅氧烷以及纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的超疏水及超疏油性涂层，其特征在于：所述碳氟表面活性剂、全氟辛基硅氧烷以及纳米颗粒的重量比为：0.1-10：0.1-10：1-10。
3.一种超疏水及超疏油性涂层的制备方法，其特征在于：方法包括下述步骤：
⑴基底材料的预处理：将基底材料表面经过清洗剂清洗后晾干；
⑵配置溶胶：取0.1-10wt％的碳氟表面活性剂，0.1-10wt％全氟辛基硅氧烷以及1-10wt％的纳米颗粒加入到溶剂中并充分搅拌；
⑶功能层涂覆：将步骤⑵中制备的溶胶涂覆到基底材料表面；
⑷将⑶中涂覆后的基底材料经过80-160℃的热处理10min-180min。
4.根据权利要求3所述的超疏水及超疏油性涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴的清洗剂包括有机溶剂和表面活性清洁剂。
5.根据权利要求3所述的超疏水及超疏油性涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中溶剂为无水乙醇、水、丙酮、甲醇、异丙醇、乙二醇中的一种或几种的混合溶液。
6.根据权利要求3所述的超疏水及超疏油性涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中所用碳氟表面活性剂为但不限于阴离子型聚氨酯类碳氟表面活性剂，其结构式如下：
n为5-13,m为10-30,x为1-10，y为1-10。
7.根据权利要求3所述的超疏水及超疏油性涂层的制备方法，其特征在于：所述纳米颗粒包括但不限于但不限于无机纳米颗粒、高分子纳米颗粒中的一种或几种的混合，比如但不限于纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米银颗粒、纳米氧化铝、纳米碳酸钙，等，纳米颗粒直径为10nm-100nm。
8.根据权利要求3所述的超疏水及超疏油性涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中所述的基底材料包括金属、无机非金属、有机材料，以及其复合材料，所述的基底材料包括无孔和多孔材料。
9.根据权利要求3所述的超疏水及超疏油性涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中所述的涂覆方法为喷涂法、浸没涂覆法、旋涂法。
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