CN109651920B - 一种超疏水粉末涂料及其制备方法 - Google Patents

一种超疏水粉末涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超疏水粉末涂料，包括功能填料，其特征在于，所述功能填料，包括多孔粒子、低表面能物质及硫化硅橡胶；其制备方法是：将低表面能物质吸附在多孔粒子的孔道内部获得改性多孔粒子步骤；及将改性多孔粒子表面包裹所述硫化硅橡胶获得所述功能填料步骤。解决了现有超疏水涂层表面仅通过单一修复化学组成物质增强涂层表面超疏水耐久性的问题，本发明方法同时对受损超疏水涂层表面的微观结构和化学组成物质进行修复，有效提高涂层表面的疏水耐久性。

Description

一种超疏水粉末涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及超疏水粉末涂料及其制备方法。
背景技术
超疏水材料是受自然界中“荷叶效应”启发制备的具有优异疏水、自清洁、防腐、防结冰等性能的新型仿生材料，在实际生产和生活中具有广阔的应用前景和巨大的应用价值。通过对自然界中超疏水表面的研究发现，制备人工超疏水表面需要同时满足两个基本条件：（1）表面具有多级粗糙结构；（2）表面具有低表面能物质。基于以上两点，人们研究制备出了多种人工超疏水表面。
然而，人工制备的超疏水表面在实际使用过程中仍存在着表面纳微结构机械强度低、低表面能物质化学稳定性差以及疏水耐久性差等问题，严重限制了超疏水涂层的实际应用。针对以上问题，目前人们主要通过增加表面结构的机械稳定性和低表面能物质的化学稳定性来提高超疏水涂层的疏水耐久性。例如，周峰等在专利（申请号：201510401762.7）中将多孔粒子加入到低表面能物质的饱和溶液中进行改性，随后将制得的具有自修复功能的多孔粒子添加到聚氨酯中，制备出具有自修复性能的超疏水涂层。
虽然，此类方法提高了超疏水涂层表面化学组成物质的稳定性，在一定程度上增强了涂层表面的疏水耐久性。但是，由于涂层表面的疏水耐久性同时受表面微观结构和化学组成两个因素的影响，如果当涂层表面的微观结构和化学组成物质均遭到破坏时，仅通过单一的修复表面微观结构或化学组成物质无法起到增强涂层表面超疏水耐久性的效果。因此，若能在实际应用过程中同时对受损超疏水涂层表面的微观结构和化学组成物质进行修复，将能大大提高涂层表面的疏水耐久性，从而增大超疏水涂层在实际生产生活中应用的可能性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种超疏水粉末涂料，该涂料的防腐耐磨性能得到有效提高，同时提供该涂料的制备方法。
第一方面，所述的一种超疏水粉末涂料，包括功能填料，其特征在于，所述功能填料，包括多孔粒子、低表面能物质及硫化硅橡胶；其制备方法是：
将低表面能物质吸附在多孔粒子的孔道内部获得改性多孔粒子步骤；及
将改性多孔粒子表面包裹所述硫化硅橡胶获得所述功能填料步骤。
优选地，所述多孔粒子为介孔二氧化硅、介孔二氧化钛、空心球、纳微米级活性炭、埃洛石纳米管、硅藻土中的一种或多种。
优选地，所述低表面能物质为全氟聚醚润滑油、氟硅烷、长碳链全氟烷烃中的一种或多种。
优选地，所述硫化硅橡胶为室温硫化硅橡胶。
优选地，所述室温硫化硅橡胶为107硅橡胶和/或704硅橡胶。
优选地，所述将低表面能物质吸附在多孔粒子的孔道内部获得改性多孔粒子步骤，是指：将多孔粒子加入到低表面能物质的分散液中，搅拌均匀后获得混合分散液，对所述混合分散液进行真空干燥处理得到改性多孔粒子。
优选地，所述将改性多孔粒子表面包裹所述硫化硅橡胶获得所述功能填料步骤，是指：将所述改性多孔粒子均匀分散到硫化硅橡胶溶液中，然后诱导所述硫化硅橡胶溶液发生相分离，并将所述硫化硅橡胶包裹在所述改性多孔粒子表面，对所述改性多孔粒子表面烘干处理后制得功能填料。
优选地，所述诱导所述硫化硅橡胶溶液发生相分离，是在搅拌条件下，向硫化硅橡胶溶液中滴加有机溶剂。
优选地，所述有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、乙醇或甲醇中的一种或多种。
优选地，所述多孔粒子10-30份，低表面能物质1-10份，硫化硅橡胶1-10份，有机溶剂50-100份。
优选地，所述的一种超疏水粉末涂料，还包括高分子含氟聚合物。
优选地，所述的高分子含氟聚合物为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟丙烯乙烯共聚物或乙烯-四氟乙烯共聚物中的一种或多种。
优选地，所述的一种超疏水粉末涂料，还包括成膜树脂。
优选地，所述成膜树脂为热塑性树脂或热固性树脂。
优选地，所述的一种超疏水粉末涂料，包括热固性树脂，其特征在于：还包括固化剂、流平剂以及消泡剂。
优选地，所述的一种超疏水粉末涂料，其原料组成的配比按照重量份计算分别为：5-40份，热固性树脂50-70份，固化剂1-20份，高分子含氟聚合物1-5份，流平剂0.5-5份，消泡剂0.5-2份。
优选地，所述的热固性树脂为环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酸树脂中的一种或多种。
优选地，所述的固化剂为脂肪族多胺、双氰胺、酚羟基树脂、二羧酸二酰井、三环氧丙基异氰尿酸酯或封闭型异氰酸酯交联剂中的一种或多种。
优选地，所述的流平剂为丙烯酸酯均聚物、丙烯酸酯共聚物、聚硅氧烷或有机硅改性丙烯酸酯聚合物中的一种或多种。
优选地，所述的消泡剂为安息香、酰胺蜡类、聚乙烯蜡类或聚氧乙烯类中的一种或多种。
第二方面，提供一种超疏水粉末涂料的制备方法，具体包括如下步骤：
将上述超疏水粉末涂料的原料经物理混合均匀后进行熔融挤出步骤；及
将熔融挤出物破碎磨粉步骤。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种结构记忆型自修复粒子，此类粒子通过物理吸附方法将低表面能物质储存在粒子内部，使其具有表面化学组成修复功能，通过相分离方法将弹性硅橡胶包裹在改性粒子表面，对粒子形貌进行记忆，使其具有了微观结构修复功能。添加此类粒子，有利于提高涂层表面微观结构和化学组成的稳定性。
本发明提供的超疏水涂层中添加了结构记忆型自修复粒子，当涂层表面受到外界破坏时，粒子内部吸附的低表面能物质分子通过扩散迁移的方式对涂层表面化学组成进行修复，粒子外部包裹的弹性硅橡胶可以起到缓冲层的作用，降低外界作用力对涂层表面形貌的破坏。此外，在外界作用终止后，弹性粒子的微观形貌会缓慢恢复至初始状态，从而达到对涂层表面的微观结构修复的目的，增强了超疏水涂层表面纳微结构的机械稳定性。
附图说明
通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：
图1是本发明是实施例1中超疏水涂层在摩擦/修复处理过程中表面与水滴的接触角变化图；摩擦测试后由于涂层表面微观结构和化学组成受到破坏，涂层表面疏水角由165°下降至137°，经过静置或加热处理后对涂层表面的化学组成和微观结构进行修复，涂层表面的疏水角由137°恢复至165°。
图2是本发明是实施例1中超疏水涂层经多循环摩擦/修复处理后的表面疏水性自修复性能测试图。
经过10个循环的摩擦/修复处理后，涂层表面仍能163°左右的疏水角，表明涂层具有良好的自修复稳定性。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。
同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。
实施例1
1、功能填料的制备
将30份介孔二氧化硅粒子加入到5份全氟聚醚润滑油和10份乙酸乙酯的混合溶液中，超声处理后，进行真空干燥。随后，将改性粒子均匀的分散到7份107硅橡胶和30份乙酸乙酯的混合溶液中，在超声条件下滴加10份乙醇，使硅橡胶溶液发生相分离，经过滤烘干处理后制得。
2、超疏水粉末涂料的制备
利用高速混合机将环氧树脂70份，聚四氟乙烯2份，上述功能填料25份，双氰胺4份，丙烯酸酯均聚物1份，安息香0.5份进行物理混合，随后利用挤出机在110℃条件下进行熔融挤出，经压片破碎和磨粉处理以后制得。
3、基板表面预处理
采用喷砂处理除去钢板表面氧化膜，随后放入75%的乙醇溶液中进行超声清洗，除其表面油脂、灰尘等杂质，取出并放至160-180℃添加下加入备用。
4、防腐耐磨超疏水涂层的制备
利用静电喷涂机将制备的超疏水粉末涂料喷涂在预热处理的钢板表面，随后在180-220℃进行煅烧60-90 min，自然降温冷却至室温，即制得自修复功能的防腐耐磨超疏水涂层。
5、涂层性能测定
（1）疏水性能：用注射器滴一滴5 μL去离子水在实施例1所制得的涂层表面，采用接触角测量仪进行测量得到该涂层的疏水角可达165°。
（2） 耐腐蚀性能：将制备的超疏水涂层浸泡在pH=1-14的溶液中进行腐蚀测试，经过30天浸泡后，涂层表面的疏水角均保持在150°以上，表明所制备的超疏水涂层具有良好的耐腐蚀性能。
（3）耐磨性能：用Taber磨耗试验机在1000 g负载条件下对制备超疏水涂层的耐磨性能进行测试，经过1000转的摩擦实验后，涂层表面没有出现破损迹象，涂层的磨损量仅为10-12 mg，小于管道涂层的耐磨指标要求（<20 mg）。
（4）自修复性能：用Taber磨耗试验机在1000 g负载条件下对制备超疏水涂层进行人工破坏，经过500转摩擦后，涂层表面与水的接触角由165°下降至137°。然而，将涂层在加热条件下处理一段时间后，涂层表面的疏水角由137°恢复至165°，表明制备的超疏水涂层具有良好的自修复性能。此外，经过10个循环的摩擦/修复处理后涂层疏水性仍能恢复如初，表面涂层表面具有良好的自修复稳定性。
（5）耐高压水流冲击性能：用100 kPa的高压水柱对超疏水表面进行连续冲击，经过20 min的冲击后，超疏水表面形貌没有发生明显变化，冲击测试后的涂层表面与水的接触角仍能保持在158°，表明所制备的超疏水表面具有很好的耐高压水冲击性能。
实施例2
1、功能填料的制备
将15份埃洛石纳米管和10份空心球加入到8份氟硅烷和20份乙酸乙酯的混合溶液中，超声处理后，进行真空干燥。随后，将改性粒子均匀的分散到5份704硅橡胶和20份乙酸乙酯的混合溶液中，在超声条件下滴加10份甲醇，使硅橡胶溶液发生相分离，经过滤烘干处理后制得。
2、超疏水粉末涂料的制备
利用高速混合机将环氧树脂30份，聚酯树脂30份，聚偏氟乙烯5份，上述功能填料20份，酚羟基树脂5份，聚硅氧烷0.5份，聚乙烯蜡0.8份，100℃熔融挤出、冷却、磨粉制得。
3、基板表面预处理
首先对钢板表面进行粗糙化处理，随后利用无水乙醇对打磨后的基板表面进行超声清洗，除其表面油脂、灰尘等杂质，取出并放至160-200℃加热台加热备用。
4、防腐耐磨超疏水涂层的制备
利用静电喷涂机将制备的超疏水粉末涂料喷涂在160-200℃条件下热处理的钢板表面，随后在180-240℃进行煅烧60-150 min，自然降温冷却至室温，即制得自修复功能的防腐耐磨超疏水涂层。
5、涂层性能测试
（1）超疏水性能：用注射器滴一滴5 μL去离子水在实施例2所制得的涂层表面，采用接触角测量仪进行测量得到该涂层的疏水角可达161°。
（2）耐磨性能：用Taber磨耗试验机在1000 g负载条件下对制备超疏水涂层的耐磨性能进行测试，经过1000转的摩擦实验后，涂层表面没有出现任何破损的迹象，涂层的磨损量为7-9 mg，小于管道涂层的耐磨指标要求（<20 mg）。
（3）耐腐蚀性能：将制备的超疏水涂层浸泡在pH=1，7，14的溶液中进行腐蚀测试，经过30天浸泡后，涂层表面的疏水角均保持在150°以上，表明所制备的超疏水涂层具有良好的耐腐蚀性能。
（4）自修复性能：用250 kPa的高压水流对超疏水表面连续冲击进行人工破坏，经过20 min的冲击后，涂层表面与水的接触角由161°下降至132°。然而，将涂层在室温静置24小时后，涂层表面的疏水角由132°恢复至159°，表明制备的超疏水涂层具有良好的自修复性能。此外，经过15个循环的冲击/修复处理后涂层疏水性仍能恢复超疏水状态，表面涂层具有良好的自修复稳定性。
实施例3
1、功能填料的制备
将15份纳微米级活性炭和15份硅藻土加入到10份长碳链全氟烷烃和30份乙酸乙酯的混合溶液中，超声处理后，进行真空干燥。随后，将改性粒子均匀的分散到10份104硅橡胶和30份乙酸乙酯的混合溶液中，在超声条件下滴加20份乙醇，使硅橡胶溶液发生相分离，经过滤烘干处理后制得。
2、超疏水粉末涂料的制备
利用高速混合机将聚氨酯树脂50份，全氟丙烯乙烯共聚物4份，上述功能填料30份，封闭型异氰酸酯8份，丙烯酸酯共聚物0.8份，安息香0.5份，110℃熔融挤出、冷却、磨粉制得。
3、金属基板预处理
采用喷砂机对金属钢管内表面进行喷砂处理，放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除钢管表面的油脂、灰尘等杂质，取出并放至150-180℃烘箱中加热备用。
4、防腐耐磨超疏水涂层的制备
利用静电喷涂机将制备的超疏水粉末涂料喷涂在150-180℃条件下热处理的钢板表面，随后在160-200℃进行煅烧30-90 min，自然降温冷却至室温，即制得自修复功能的防腐耐磨超疏水涂层。
5、涂层性能测试
（1）超疏水性能：用注射器滴一滴5 μL去离子水在实施例3所制得的涂层表面，采用接触角测量仪进行测量得到该涂层的疏水角可达167°。
（2）耐磨性能：用Taber磨耗试验机在1000 g负载条件下对制备超疏水涂层的耐磨性能进行测试，经过1000转的摩擦实验后，涂层表面没有出现任何破损的迹象，涂层的磨损量为10-14 mg，小于管道涂层的耐磨指标要求（<20 mg）。
（3）耐腐蚀性能：将制备的超疏水涂层浸泡在pH=1-14的溶液中进行腐蚀测试，经过30天浸泡后，涂层表面的疏水角均保持在150°以上，表明所制备的超疏水涂层具有良好的耐腐蚀性能。
（4）自修复性能：用Taber磨耗试验机在1000 g负载条件下对制备超疏水涂层进行人工破坏，经过200转摩擦后，涂层表面与水的接触角由167°下降至139°。然而，将涂层在60-120℃条件下加热处理20-60 min后，涂层表面的疏水角由139°恢复至166°，表明制备的超疏水涂层具有良好的自修复性能。此外，经过10个循环的摩擦/修复处理后涂层疏水性仍能恢复如初，表面涂层表面具有良好的自修复稳定性。
以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种超疏水粉末涂料，包括功能填料，其特征在于，所述功能填料，包括多孔粒子、低表面能物质及硫化硅橡胶；其制备方法是：
将低表面能物质吸附在多孔粒子的孔道内部获得改性多孔粒子步骤；及
将改性多孔粒子表面包裹所述硫化硅橡胶获得所述功能填料步骤；
所述将低表面能物质吸附在多孔粒子的孔道内部获得改性多孔粒子步骤，是指：将多孔粒子加入到低表面能物质中，搅拌均匀后获得混合分散液，对所述混合分散液进行真空干燥处理得到改性多孔粒子；
所述将改性多孔粒子表面包裹所述硫化硅橡胶获得所述功能填料步骤，是指：将所述改性多孔粒子均匀分散到硫化硅橡胶溶液中，然后诱导所述硫化硅橡胶溶液发生相分离，并将所述硫化硅橡胶包裹在所述改性多孔粒子表面，对所述改性多孔粒子表面烘干处理后制得功能填料；
所述诱导所述硫化硅橡胶溶液发生相分离，是在搅拌条件下，向硫化硅橡胶溶液中滴加有机溶剂；
还包括：高分子含氟聚合物，所述的高分子含氟聚合物为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟丙烯乙烯共聚物或乙烯-四氟乙烯共聚物中的一种或多种；及
热固性树脂、固化剂、流平剂以及消泡剂；
其中，所述功能填料中所述多孔粒子10-30份，低表面能物质1-10份，硫化硅橡胶1-10份，有机溶剂50-100份；
所述超疏水粉末涂料，其原料组成的配比按照重量份计算分别为：功能填料5-40份，热固性树脂50-70份，固化剂1-20份，高分子含氟聚合物1-5份，流平剂0.5-5份，消泡剂0.5-2份。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水粉末涂料，其特征在于：所述多孔粒子为介孔二氧化硅、介孔二氧化钛、空心球、纳微米级活性炭、埃洛石纳米管、硅藻土中的一种或多种；所述低表面能物质为全氟聚醚润滑油、氟硅烷、长碳链全氟烷烃中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水粉末涂料，其特征在于：所述硫化硅橡胶为常温硫化硅橡胶。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水粉末涂料，其特征在于：所述有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、乙醇或甲醇中的一种或多种。
5.一种超疏水粉末涂料的制备方法，具体包括如下步骤：
将权利要求1-4任一项所述的超疏水粉末涂料的原料经物理混合均匀后进行熔融挤出步骤；及
将熔融挤出物破碎磨粉步骤。
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