CN109593468B - 一种利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超疏水表面制备技术领域，具体涉及一种利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法，该方法包括：(1)将无水乙醇加热到40‑60℃，依次将虫白蜡和小烛树蜡加入无水乙醇中，搅拌直至溶解，得到澄清透明溶液；(2)将溶液冷却至室温，得到乳白色悬浮液；(3)将悬浮液喷涂在基材表面，风干后得到接触角大于150度、滚动角小于10度的透明超疏水表面。本发明使用的天然蜡价格便宜且可再生，制备方法简单。

Description

一种利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法
技术领域
本发明属于超疏水表面制备技术领域，具体涉及一种利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法。
背景技术
在工业和生活领域，许多材料表面都有防水性、防污性和透明性的多重要求。例如太阳能面板在户外被灰尘覆盖后，将导致其光电转化效率的降低；纸制品吸水受潮后导致霉变、破裂，字迹不清；建筑领域使用门窗玻璃和汽车工业领域的挡风玻璃与后视镜玻璃都迫切需要兼具透明性和防灰尘污染性能的功能玻璃。作为建筑材料的基础，水泥混凝土具有很强的吸水性。在自然条件下使用的水泥混凝土受到各种类型水的侵蚀，将使其产生腐蚀或在内部产生应力，最终导致其强度降低，服役寿命大大缩短。超疏水涂层和/或表面具有超过150度的水滴接触角和小于10度的水滴滚动角，水滴在这类表面难以停留，环境中的稍微作用(振动或风的作用)将使超疏水表面的水滴迅速滚离该表面，如果表面有灰尘存在，灰尘在水滴滚动过程中被带走。因此，超疏水表面有自清洁防污染的特性，特别是在户外降雨条件下，表面总能保持清洁，并且滴水不沾，从而赋予材料防水性和抗污性。而透明超疏水表面在赋予材料防水抗污性能的同时，不仅能维持材料固有颜色和外观，还能最大限度的透过光线(例如太阳能面板表面必须透明，才能保证阳光的射入；门窗玻璃和汽车挡风玻璃也需要透明的视野)，因此受到了工业领域研究者的广泛关注。
目前，已有关于透明超疏水表面的制备方法的报道和专利，其中多数透明超疏水表面使用纳米二氧化硅颗粒、硅烷、氟硅烷、聚二甲基硅氧烷等材料，这些材料都是合成材料，其中氟硅烷的使用可能对人类和环境产生危害。由于能源枯竭、一次材料匮乏及环境污染问题，利用可再生的天然材料制备透明超疏水涂层成为了材料研究领域新的热点。超疏水材料通常需要使用低表面能物质对表面进行修饰，而天然蜡，例如棕榈蜡、蜂蜡、大豆蜡、虫白蜡、鲸蜡等植物或动物蜡表面能较低，可以通过控制表面粗糙结构而获得超疏水性。例如文献(Chemical Engineering Journal 250(2014)431–436)报道了基于棕榈蜡和蜂蜡透明超疏水表面的制备方法，该方法以水为溶剂，在表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的作用下在水相中制备乳液，涂覆在打印纸上可形成透明的天然材料超疏水表面，但该表面需要经长时间热处理(12小时)才能显示超疏水性，其制备过程能耗很高且制备效率较低。文献(J.Agric.Food Chem.2018,66,2143-2150)和专利(申请号：2017102833314)利用蜂蜡制备了可食用的超疏水涂层，但该涂层不透明。
现有制备透明超疏水表面时主要存在以下缺陷：
(1)采用合成化学品如硅烷和氟硅烷等材料，对环境具有潜在的危害且不可再生；
(2)在可再生天然材料的利用方面，主要集中在棕榈蜡和蜂蜡上，不同蜡的组成和性能相似而不完全相同。例如棕榈蜡主要成分为蜡酯、高碳醇、烃类和树脂状物质，其熔点较高而质地较硬；米糠蜡具有一定弹性；石蜡主要成分为碳原子数约为18～30的烃类混合物；
(3)制备的表面只有超疏水性而不透明，或具有透明性而没有超疏水性；
(4)制备过程需要复杂的工艺，周期较长，使用材料种类繁多，配方复杂，不利于工业化应用。
发明内容
本发明主要提供了一种利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法，使用的天然蜡价格便宜且可再生，制备方法简单。其技术方案如下：
一种利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法，包括以下步骤：
(1)将无水乙醇加热到40-60℃，依次将虫白蜡和小烛树蜡加入无水乙醇中，搅拌直至溶解，得到澄清透明溶液；
(2)将溶液冷却至室温，得到乳白色悬浮液；
(3)将悬浮液喷涂在基材表面，风干后得到接触角大于150度、滚动角小于10度的透明超疏水表面。
优选的，100-500ml的无水乙醇中虫白蜡的加入量为0.5-1.5g，小烛树蜡的加入量为1.0-2.0g。
优选的，步骤(1)中所述无水乙醇为分析纯试剂，虫白蜡为白色块状，研磨成粉状后使用，小烛树蜡为黄色片状。
优选的，步骤(3)中悬浮液对基材喷涂三次，第一次悬浮液喷涂量为20-50ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次悬浮液喷涂量为20-50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次悬浮液喷涂量为20-50ml/m2，风干后即得到透明超疏水表面。
优选的，所述基材为打印纸、滤纸、玻璃片、铝片、瓷砖、石膏板、水泥混凝土试样、马口铁试板或棉布。
采用上述方案，本发明具有以下优点：
本方法使用虫白蜡、小烛树蜡为原料，来源丰富，价格便宜且可再生，使用无水乙醇为有机溶剂，毒性小。制备的表面不仅具有超疏水性，而且具有透明性，制备方法简单，周期短，利于工业化应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的透明超疏水表面的SEM照片；
图2为本发明实施例1中得到透明超疏水表面的水滴接触角测试照片；
图3为本发明实施例1中得到透明超疏水表面水滴照片。
具体实施方式
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
实施例1
将100ml无水乙醇加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热无水乙醇中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色透明溶液；将上述溶液自然冷却至室温，得到乳白色悬浮液；将上述悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次悬浮液喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次悬浮液喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次悬浮液喷涂量为20ml/m2，风干后即得到透明超疏水表面。接触角和滚动角采用8μL去离子水为检测液体，使用德国克吕士公司的DSA100型液滴形状分析仪测试；透光率使用福威光电有限公司的WT11型透光率测试仪测试。经测试样品表面水滴接触角为158.7°，滚动角为5.6°；将样品喷涂在载玻片上测试，在可见光波长范围，涂层透光率大于74.60％，打印纸上喷涂超疏水涂层后字迹清晰可见。
实施例2
将100ml无水乙醇加热到50℃；随后依次将0.8g虫白蜡和1.2g小烛树蜡加入上述热无水乙醇中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色透明溶液；将上述溶液自然冷却至室温，得到乳白色悬浮液；将上述悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次悬浮液喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次悬浮液喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次悬浮液喷涂量为20ml/m2，风干后即得到透明超疏水表面。经测试样品表面水滴接触角为161.2°，滚动角为6.3°；将样品喷涂在载玻片上测试，在可见光波长范围，涂层透光率大于75.2％，打印纸上喷涂超疏水涂层后字迹清晰可见。
实施例3
将100ml无水乙醇加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热无水乙醇中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色透明溶液；将上述溶液自然冷却至室温，得到乳白色悬浮液；将上述悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次悬浮液喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次悬浮液喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次悬浮液喷涂量为30ml/m2，风干后即得到透明超疏水表面。经测试样品表面水滴接触角为155.7°，滚动角为6.8°；将样品喷涂在载玻片上测试，在可见光波长范围，涂层透光率大于74.6％，打印纸上喷涂超疏水涂层后字迹清晰可见。
实施例4
将100ml无水乙醇加热到50℃；随后依次将0.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热无水乙醇中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色透明溶液；将上述溶液自然冷却至室温，得到乳白色悬浮液；将上述悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次悬浮液喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次悬浮液喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次悬浮液喷涂量为30ml/m2，风干后即得到透明超疏水表面。经测试样品表面水滴接触角为165.7°，滚动角为6.3°；将样品喷涂在载玻片上测试，在可见光波长范围，涂层透光率大于77.4％，打印纸上喷涂超疏水涂层后字迹清晰可见。
实施例5
将100ml无水乙醇加热到50℃；随后依次将1.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热无水乙醇中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色透明溶液；将上述溶液自然冷却至室温，得到乳白色悬浮液；将上述悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次悬浮液喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次悬浮液喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次悬浮液喷涂量为40ml/m2，风干后即得到透明超疏水表面。经测试样品表面水滴接触角为161.3°，滚动角为5.8°；将样品喷涂在载玻片上测试，在可见光波长范围，涂层透光率大于75.8％，打印纸上喷涂超疏水涂层后字迹清晰可见。
对比例1
使用其他天然蜡种(棕榈蜡和蜂蜡)分别替换实施例1中的虫白蜡和小烛树蜡进行对比。将100ml无水加热到50℃；随后依次将1.0g棕榈蜡和1.0g蜂蜡加入上述热无水中，磁力搅拌1小时仍不能完全溶解。冷却到室温后得到大量沉淀，难以喷涂成膜。
使用其他溶剂(丙酮)替换实施例1中的无水乙醇进行对比。将100ml丙酮加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热丙酮中，持续搅拌1小时仍有部分小烛树蜡不能溶解。冷却到室温后析出大量白色沉淀。在磁力搅拌下将白色沉淀的悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为20ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为126.9°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例1中的无水乙醇进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为20ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为125.9°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例1中的无水乙醇，并改变喷涂工艺进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为20ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为123.4°，不具有超疏水性。
对比例2
使用其他天然蜡种(棕榈蜡和蜂蜡)分别替换实施例2中的虫白蜡和小烛树蜡进行对比。将100ml无水加热到50℃；随后依次将0.8g棕榈蜡和1.1g蜂蜡加入上述热无水中，磁力搅拌1小时仍不能完全溶解。冷却到室温后得到大量沉淀，难以喷涂成膜。
使用其他溶剂(丙酮)替换实施例2中的无水乙醇进行对比。将100ml丙酮加热到50℃；随后依次将0.8g虫白蜡和1.2g小烛树蜡加入上述热丙酮中，持续搅拌1小时仍有部分小烛树蜡不能溶解。冷却到室温后析出大量白色沉淀。在磁力搅拌下将白色沉淀的悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为20ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为123.8°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例2中的无水乙醇进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将0.8g虫白蜡和1.2g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为20ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为126.9°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例2中的无水乙醇，并改变喷涂工艺进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将0.8g虫白蜡和1.2g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为50ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为20ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为124.8°，不具有超疏水性。
对比例3
使用其他天然蜡种(棕榈蜡和蜂蜡)分别替换实施例3中的虫白蜡和小烛树蜡进行对比。将100ml无水加热到50℃；随后依次将1.0g棕榈蜡和1.0g蜂蜡加入上述热无水中，磁力搅拌1小时仍不能完全溶解。冷却到室温后得到大量沉淀，难以喷涂成膜。
使用其他溶剂(丙酮)替换实施例3中的无水乙醇进行对比。将100ml丙酮加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热丙酮中，持续搅拌1小时仍有部分小烛树蜡不能溶解。冷却到室温后析出大量白色沉淀。在磁力搅拌下将白色沉淀的悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为30ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为127.6°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例3中的无水乙醇进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为30ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为124.6°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例3中的无水乙醇，并改变喷涂工艺进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将1.0g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为30ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为129.7°，不具有超疏水性。
对比例4
使用其他天然蜡种(棕榈蜡和蜂蜡)分别替换实施例4中的虫白蜡和小烛树蜡进行对比。将100ml无水加热到50℃；随后依次将0.5g棕榈蜡和1.0g蜂蜡加入上述热无水中，磁力搅拌1小时仍不能完全溶解。冷却到室温后得到大量沉淀，难以喷涂成膜。
使用其他溶剂(丙酮)替换实施例4中的无水乙醇进行对比。将100ml丙酮加热到50℃；随后依次将0.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热丙酮中，持续搅拌1小时仍有部分小烛树蜡不能溶解。冷却到室温后析出大量白色沉淀。在磁力搅拌下将白色沉淀的悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为30ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为121.6°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例4中的无水乙醇进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将0.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为30ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为123.5°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例4中的无水乙醇，并改变喷涂工艺进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将0.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为30ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为126.8°，不具有超疏水性。
对比例5
使用其他溶剂(丙酮)替换实施例5中的无水乙醇进行对比。将100ml丙酮加热到50℃；随后依次将1.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热丙酮中，持续搅拌1小时仍有部分小烛树蜡不能溶解。冷却到室温后析出大量白色沉淀。在磁力搅拌下将白色沉淀的悬浮液喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为40ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为30ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为125.3°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例5中的无水乙醇进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将0.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为40ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为126.1°，不具有超疏水性。
使用其他溶剂(三氯甲烷)替换实施例5中的无水乙醇，并改变喷涂工艺进行对比。将100ml三氯甲烷加热到50℃；随后依次将1.5g虫白蜡和1.0g小烛树蜡加入上述热三氯甲烷中，并在磁力搅拌下直至完全溶解，得到无色溶液；将上述溶液自然冷却至室温，喷涂在A4打印纸表面。喷涂过程为，第一次喷涂量为20ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次喷涂量为30ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次喷涂量为40ml/m2，风干后即得到对比样品表面。经测试对比样品表面水滴接触角为129.4°，不具有超疏水性。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将无水乙醇加热到40-60℃，依次将虫白蜡和小烛树蜡加入无水乙醇中，搅拌直至溶解，得到澄清透明溶液，100-500ml的无水乙醇中虫白蜡的加入量为0.5-1.5g，小烛树蜡的加入量为1.0-2.0g；
(2)将溶液冷却至室温，得到乳白色悬浮液；
(3)将悬浮液喷涂在基材表面，风干后得到接触角大于150度、滚动角小于10度的透明超疏水表面；所述悬浮液对基材喷涂三次，第一次悬浮液喷涂量为20-50ml/m2，风干后喷涂第二次；第二次悬浮液喷涂量为20-50ml/m2，风干后喷涂第三次；第三次悬浮液喷涂量为20-50ml/m2，风干后即得到透明超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法，其特征在于：步骤(1)中所述无水乙醇为分析纯试剂，虫白蜡为白色块状，研磨成粉状后使用，小烛树蜡为黄色片状。
3.根据权利要求1所述的利用天然蜡制备透明超疏水表面的方法，其特征在于：所述基材为打印纸、滤纸、玻璃片、铝片、瓷砖、石膏板、水泥混凝土试样、马口铁试板或棉布。
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