CN109647680B - 一种采用喷涂法制备纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层的方法 - Google Patents

一种采用喷涂法制备纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种采用喷涂法制备纳米ZnO‑GO/水性聚氨酯超双疏涂层的方法，采用超声水热复合的方法，先通过全氟辛基三氯硅烷改性纳米氧化锌，然后将改性的纳米ZnO与GO负载，得到纳米ZnO‑GO复合物，在基底表面制备水性聚氨酯层，然后在水性聚氨酯层表面构建低表面能纳米ZnO‑GO复合物层，涂层固化后，测试其表面形貌和静态接触角。本发明降低了纳米氧化锌表面能，提高了纳米ZnO‑GO复合物层经氟化处理后表面的疏水性和疏油性，达到一种超双疏的效果，提高了涂层的稳定性。本发明生产成本低，制备方法简单，对反应设备要求低，反应条件温和，无环境污染，可规模化生产。

Description

一种采用喷涂法制备纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层的 方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层的制备方法。
背景技术
近些年，国内外学者受到“荷叶效应”的启发，超疏水表面引起了研究人员的广泛兴趣。主要研究思路是在金属基体表面引入无机纳米粗糙结构并修饰低表面能物质，制备方法主要有溶胶凝胶法、水热法、层层自组装法、化学气相沉积法、喷涂法和表面接枝共聚等。
总体说来，目前的研究主要集中在以下几个领域：(1)研究自然界中具有超疏水表面的植物和动物，为开发具有新型表面结构的材料提供灵感。(2)使用无机物在金属表面制备具有超疏水性表面的材料。(3)使用高分子材料制备具有超疏水性的表面。(4)理论研究通过构建模型以探讨表面结构状况与接触角或滚动角的关系。
制备超疏水涂层需要同时具备粗糙的表面结构和低的表面能。可以通过对粗糙结构进行表面修饰、降低表面能的方法，也可由低表面能的物质构造粗糙结构。然而，超疏水表面的精细粗糙结构及低表面能物质，容易在加工和使用过程中受冲击、摩擦等机械作用而损坏，从而丧失超疏水性能。因而，制备具有稳定的机械性能和抗腐蚀性能的超疏涂层是需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种采用喷涂法在基底表面制备纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层的方法，以提高基底表面的超疏水和超疏油的性能。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明先通过全氟辛基三氯硅烷改性纳米氧化锌(ZnO)，然后将改性的纳米ZnO与氧化石墨烯(GO)负载，得到纳米ZnO-GO复合物，在基底表面制备水性聚氨酯层，然后在水性聚氨酯层表面构建低表面能纳米ZnO-GO复合物层，干燥之后，测试涂层的表面形貌和静态接触角。
本发明所述的一种采用喷涂法制备纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层的方法，包括如下步骤。
（1）将纳米ZnO分散于无水乙醇中，加入全氟辛基三氯硅烷改性剂和水，磁力搅拌形成溶液A。
（2）将氧化石墨烯分散于无水乙醇中，超声处理，形成均匀分散的悬浮液B。
（3）将溶液A和悬浮液B混合，得到溶液C，60 ℃水浴条件下磁力搅拌6 h。
（4）用去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，将产物在80 ℃条件下真空干燥12h，得到纳米ZnO-GO复合物，研磨备用。
（5） 按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分，搅拌均匀，室温下熟化处理30 min，然后在处理好的铝基板表面喷涂2层，室温下固化10 min。
（6）取纳米ZnO-GO复合物配制成溶液，溶剂为二氯甲烷或丙酮；然后将纳米ZnO-GO复合物溶液在水性聚氨酯涂层上面均匀喷涂2层。
（7）将构建好的涂层室温晾置6 h，然后置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h，即完成纳米ZnO-GO/水性聚氨酯涂层。
所述步骤（6）中纳米ZnO-GO复合物溶液的溶剂优选二氯甲烷。
涂层干燥固化之后，用接触角测量仪测试涂层表面的静态接触角，得到其表面对水的静态接触角为167°，滚动角为3°；对正己烷的静态接触角为162°，滚动角为3.5°。
步骤（1）中的全氟辛基三氯硅烷作为改性剂，水解之后与氧化锌表面的羟基脱水结合，大量的低表面基团降低了纳米ZnO的表面能。
步骤（5）中水性聚氨酯涂层的厚度会影响与ZnO-GO复合物层的嵌入结合，选择2层是最佳。
步骤（6）中低表面能的纳米ZnO-GO复合物层厚度为2层时，该厚度与水性聚氨酯层的结合较好，形成的表面微/纳粗糙结构较好，达到的超双疏性能最佳。
本发明的优点是：（1）对纳米ZnO 进行改性，使得ZnO颗粒的表面具有极性较大的基团，与GO的负载解决了纳米氧化锌容易团聚的难题；（2）用超声水热复合法将修饰后的纳米ZnO与GO进行负载，此方法操作简单，实验要求较低，形成的纳米ZnO-GO复合物具有非常低的表面能；（3）改性剂采用全氟辛基三氯硅烷，结构中含有很多的含氟官能团，这些官能团既能表现出超强的疏水性也能表现出超强的憎油性；（4）利用水性聚氨酯将铝基板和复合物层相结合，水性聚氨酯对基材粘附力强，机械强度较高，而且施工简单，对环境无污染；（5）采用的是两步喷涂的方法构建涂层，喷涂可以构造出微/纳粗糙结构，两步法可以形成机械稳定性较好的低表面能的涂层。（6）本发明使用的纳米氧化锌、改性剂、水性聚氨酯、氧化石墨烯等都是常用原料，生产成本低，对反应设备要求低，反应条件温和，涂层的制备方法简单，无环境污染。
附图说明
图1为改性ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层构建机制图。
图2为GO、纳米ZnO、改性ZnO-GO复合物的红外光谱图。
图3为纳米ZnO、GO、改性ZnO-GO复合物的XRD分析图。
图4为GO、改性ZnO-GO复合物SEM图。其中，a为GO放大1000倍、10000倍、50000倍的SEM图；b为改性ZnO-GO复合物放大30000倍、50000倍、200000倍的SEM图。
图5为改性ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层SEM图。其中，a为放大2000倍；b为放大5000倍；c为放大10000倍的SEM图。
图6为超双疏涂层表面元素含量图。
图7为超双疏涂层表面元素分布图。
图8为超双疏涂层表面润湿性。其中，a为水的静态接触角光学图片；b为正己烷的静态接触角光学图片。
图9为超双疏涂层断面SEM图。其中，a为放大500倍；b为放大2000倍；c为放大5000倍的SEM图。
图10为超双疏涂层断面线扫描图及各元素能谱图。
具体实施方法
本发明将通过以下实施例作进一步说明，但所给出的实施例对本发明不构成任何限制。
实施例1。
称取1.6 g的ZnO（30nm级）分散于40 mL无水乙醇中，并加入0.2 mL全氟辛基三氯硅烷和10滴H2O，磁力搅拌30 min，得到溶液A；称取0.1 g的GO分散于25 mL无水乙醇中，超声处理30 min，形成分散均匀的悬浮液B；将溶液A与悬浮液B混合，得到溶液C，60 ℃水浴加热，磁力搅拌6 h；去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，得到纳米ZnO-GO复合物，80 ℃条件下真空干燥12 h,研磨备用。按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分适量，搅拌均匀，室温下熟化处理30 min，然后在处理好的铝基板表面喷涂，喷涂2层，构建水性聚氨酯涂层；将制备好的纳米ZnO-GO复合物，加入到20 mL二氯甲烷溶剂中，超声处理0.5 h，然后磁力搅拌0.5 h，得到纳米ZnO-GO复合物溶液；制备好的水性聚氨酯涂层室温下晾置5 min，然后喷涂复合物层约2层，制备纳米ZnO-GO复合物层；将制备好的涂层在室温下晾置6 h，然后置于60℃真空干燥箱中干燥12 h，即得到纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层；涂层干燥固化之后，用接触角测量仪测试涂层表面对水和正己烷的静态接触角。
实施例2。
称取1.6 g的ZnO（30 nm级）分散于40 mL无水乙醇中，并加入0.2 mL全氟辛基三氯硅烷和10滴H2O，磁力搅拌30 min，得到溶液A；称取0.1 g的GO分散于25 mL无水乙醇中，超声处理30 min，形成分散均匀的悬浮液B；将溶液A与悬浮液B混合，得到溶液C，60 ℃水浴加热，磁力搅拌6 h；去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，得到纳米ZnO-GO复合物，80 ℃条件下真空干燥12 h,研磨备用。按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分适量，搅拌均匀，室温下熟化处理30 min，然后在处理好的铝基板表面喷涂，喷涂2层，构建水性聚氨酯涂层；将制备好的纳米ZnO-GO复合物，加入到20 mL二氯甲烷溶剂中，超声处理0.5 h，然后磁力搅拌0.5 h，得到纳米ZnO-GO复合物溶液；制备好的水性聚氨酯涂层室温下晾置10 min，然后喷涂复合物层约2层，制备纳米ZnO-GO复合物层；将制备好的涂层在室温下晾置6 h，然后置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h，即得到纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层；涂层干燥固化之后，用接触角测量仪测试涂层表面对水和正己烷的静态接触角。
实施例3。
称取1.6 g的ZnO（30 nm级）分散于40 mL无水乙醇中，并加入0.2 mL全氟辛基三氯硅烷和10滴H2O，磁力搅拌30 min，得到溶液A；称取0.1 g的GO分散于25 mL无水乙醇中，超声处理30 min，形成分散均匀的悬浮液B；将溶液A与悬浮液B混合，得到溶液C，60 ℃水浴加热，磁力搅拌6 h；去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，得到纳米ZnO-GO复合物，80 ℃条件下真空干燥12 h,研磨备用。按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分适量，搅拌均匀，室温下熟化处理30 min，然后在处理好的铝基板表面喷涂，喷涂2层，构建水性聚氨酯涂层；将制备好的纳米ZnO-GO复合物，加入到20 mL二氯甲烷溶剂中，超声处理0.5 h，然后磁力搅拌0.5 h，得到纳米ZnO-GO复合物溶液；制备好的水性聚氨酯涂层室温下晾置30 min，然后喷涂复合物层约2层，制备纳米ZnO-GO复合物层；将制备好的涂层在室温下晾置6 h，然后置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h，即得到纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层；涂层干燥固化之后，用接触角测量仪测试涂层表面对水和正己烷的静态接触角。
实施例4。
称取1.6 g的ZnO（30 nm级）分散于40 mL无水乙醇中，并加入0.2 mL全氟辛基三氯硅烷和10滴H2O，磁力搅拌30 min，得到溶液A；称取0.1 g的GO分散于25 mL无水乙醇中，超声处理30 min，形成分散均匀的悬浮液B；将溶液A与悬浮液B混合，得到溶液C，60 ℃水浴加热，磁力搅拌6 h；去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，得到纳米ZnO-GO复合物，80℃条件下真空干燥12 h,研磨备用。按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分适量，搅拌均匀，室温下熟化处理30 min，然后在处理好的铝基板表面喷涂，喷涂2层，构建水性聚氨酯涂层；将制备好的纳米ZnO-GO复合物，加入到20 mL二氯甲烷溶剂中，超声处理0.5 h，然后磁力搅拌0.5h，得到纳米ZnO-GO复合物溶液；制备好的水性聚氨酯涂层室温下晾置5 min，然后喷涂复合物层约3层，制备纳米ZnO-GO复合物层；将制备好的涂层在室温下晾置6 h，然后置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h，即得到纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层；涂层干燥固化之后，用接触角测量仪测试涂层表面对水和正己烷的静态接触角。
实施例5。
称取1.6 g的ZnO（30 nm级）分散于40 mL无水乙醇中，并加入0.2 mL全氟辛基三氯硅烷和10滴H2O，磁力搅拌30 min，得到溶液A；称取0.1 g的GO分散于25 mL无水乙醇中，超声处理30 min，形成分散均匀的悬浮液B；将溶液A与悬浮液B混合，得到溶液C，60 ℃水浴加热，磁力搅拌6 h；去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，得到纳米ZnO-GO复合物，80 ℃条件下真空干燥12 h,研磨备用。按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分适量，搅拌均匀，室温下熟化处理30 min，然后在处理好的铝基板表面喷涂，喷涂2层，构建水性聚氨酯涂层；将制备好的纳米ZnO-GO复合物，加入到20 mL二氯甲烷溶剂中，超声处理0.5 h，然后磁力搅拌0.5 h，得到纳米ZnO-GO复合物溶液；制备好的水性聚氨酯涂层室温下晾置10 min，然后喷涂复合物层约3层，制备纳米ZnO-GO复合物层；将制备好的涂层在室温下晾置6 h，然后置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h，即得到纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层；涂层干燥固化之后，用接触角测量仪测试涂层表面对水和正己烷的静态接触角。
实施例6。
称取1.6 g的ZnO（30 nm级）分散于40 mL无水乙醇中，并加入0.2 mL全氟辛基三氯硅烷和10滴H2O，磁力搅拌30 min，得到溶液A；称取0.1 g的GO分散于25 mL无水乙醇中，超声处理30 min，形成分散均匀的悬浮液B；将溶液A与悬浮液B混合，得到溶液C，60 ℃水浴加热，磁力搅拌6 h；去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，得到纳米ZnO-GO复合物，80 ℃条件下真空干燥12 h,研磨备用。按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分适量，搅拌均匀，室温下熟化处理30 min，然后在处理好的铝基板表面喷涂，喷涂2层，构建水性聚氨酯涂层；将制备好的纳米ZnO-GO复合物，加入到20 mL二氯甲烷溶剂中，超声处理0.5 h，然后磁力搅拌0.5 h，得到纳米ZnO-GO复合物溶液；制备好的水性聚氨酯涂层室温下晾置30 min，然后喷涂复合物层约3层，制备纳米ZnO-GO复合物层；将制备好的涂层在室温下晾置6 h，然后置于60℃真空干燥箱中干燥12 h，即得到纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层；涂层干燥固化之后，用接触角测量仪测试涂层表面对水和正己烷的静态接触角。

Claims (1)

1.一种采用喷涂法制备纳米ZnO-GO/水性聚氨酯超双疏涂层的方法，其特征是包括如下步骤：
(1)将纳米ZnO分散于无水乙醇中，加入全氟辛基三氯硅烷改性剂和水，磁力搅拌形成溶液A；
(2)将氧化石墨烯分散于无水乙醇中，超声处理，形成均匀分散的悬浮液B；
(3)将溶液A和悬浮液B混合，得到溶液C，60℃水浴条件下磁力搅拌6h；
(4)用去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，抽滤，将产物在80℃条件下真空干燥12h，得到纳米ZnO-GO复合物，研磨备用；
(5)按5:1的比例称取水性聚氨酯A、B组分，搅拌均匀，室温下熟化处理30min，然后在处理好的铝基板表面喷涂2层，室温下固化10min；
(6)取纳米ZnO-GO复合物配制成溶液，溶剂为二氯甲烷或丙酮；然后将纳米ZnO-GO复合物溶液在水性聚氨酯涂层上面均匀喷涂2层；
(7)将构建好的涂层室温晾置6h，然后置于60℃真空干燥箱中干燥12h；
所述步骤(1)的具体步骤为：称取1.6g的30nm级ZnO分散于40mL无水乙醇中，并加入0.2mL全氟辛基三氯硅烷和10滴水，磁力搅拌30min，得到溶液A。
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