CN110028850A - 一种水性高耐磨超双疏纳米涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种水性高耐磨超双疏纳米涂层及其制备方法,属于超浸润功能涂层材料制备技术领域。首先将造孔剂溶于水中,持续超声搅拌使造孔剂溶解分散均匀,随后将造孔剂溶液与添加了水性分散剂、流平剂和附着力促进剂的水性树脂混合搅拌均匀,涂覆于基底表面,再涂覆水性超双疏纳米涂料,最后置于烘箱中造孔固化即可。所述方法使水性超双疏纳米涂层的耐磨性显著提高,有效解决了超双疏表面易被破坏的问题,在超双疏涂层服役过程中,保持涂层的防污自清洁、防霜防冰、防腐防霉等功能。同时,该涂料在制备和使用过程中不使用也不产生任何有毒物质,无毒环保,且有利于降低成本。

Description

一种水性高耐磨超双疏纳米涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于超浸润功能涂层技术领域,具体涉及一种水性高耐磨超双疏纳米涂层及其制备方法。
背景技术
超双疏表面是指在表面微纳米结构和低表面能物质共同作用下,水滴或油滴可以在微动力作用下滚落的固体表面,具备三防(防水、防油、防尘)、抗露、减阻、耐蚀等优异的综合性能,可广泛应用于织物的三防、空调的抗露防霜、建筑材料的抗菌防霉、油水分离、抗生物黏附界面和集水体系等工业领域。
然而,超疏水表面微纳结构易被磨损破坏,影响超疏水性,从而限制了超疏水表面的应用。而根据近年来的研究表明,采用树脂作为底层粘接超疏水纳米颗粒,可以提高超疏水涂层的耐磨性,但是提高程度有限;并且这些涂料的溶剂大部分采用挥发性的有机溶剂,其不仅对人类身体健康方面存在较大危害,同时也很难避免其在运输、使用过程中存在的安全隐患。因此,近年来无毒无害的水性涂料开始被大量的研制和使用。
发明内容
解决的技术问题:针对现有技术中存在超双疏纳米涂层耐磨性差和无法满足环保要求等技术问题,本发明提供一种水性高耐磨超双疏纳米涂层及其制备方法,所述方法设备工艺简单、易操作,适合大规模制备生产,不会产生任何有毒物质,制备的水性超双疏纳米涂层可以应用于各种水性粘接树脂层体系中,使耐磨性显著提高,延长水性超双疏涂层的使用寿命。
技术方案:一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1) 将0.2-0.8质量份分散剂、0.2-0.8质量份流平剂和0.2-0.8质量份附着力促进剂加入至30-60质量份的水性树脂中,然后加入1-15质量份造孔剂,持续机械搅拌获得分散均匀的水性粘接树脂涂料;
(2)将1-15质量份酸性链式纳米硅溶胶、2-10质量份35 wt.%氨水、0.1-1质量份正硅酸四乙酯、0.3-0.8质量份表面活性剂、0.1-2质量份疏水处理剂分散于60-100质量份去离子水中,连续机械搅拌12-48 h,制备水性超双疏纳米涂料;
(3)将所述水性粘接树脂涂料涂覆于任意清洁后的硬质基底表面,置于80-120℃热台上加热30-60 s;
(4)在所述水性粘接树脂层加热过程中涂覆所述水性超双疏纳米涂料,涂覆完成后置于80-120℃烘箱中继续造孔固化6-8小时即可获得耐磨超双疏纳米涂层。
作为优选,所述步骤(1)中造孔剂为碳酸氢钠溶液或在水中能够溶解或分散均匀的受热分解产生气体或沸点远大于水的造孔剂构造多孔结构。
作为优选,所述步骤(1)中造孔剂为碳酸氢钠溶液或在水中能够溶解或分散均匀的受热分解产生气体或沸点远大于水的草酸、氯化铵、烷类和烃类化合物及其卤代物,所述碳酸氢钠溶液中碳酸氢钠与水的质量比为(1-15):(5-30)。
作为优选,所述步骤(1)中水性树脂为水性氟树脂、有机硅树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂中的至少一种。
作为优选,所述步骤(1)中分散剂为纤维素硫磺酸钠。
作为优选,所述步骤(1)中流平剂为聚醚或聚酯改性有机硅氧烷。
作为优选,所述步骤(1)中附着力促进剂为硅烷化合物。
作为优选,所述步骤(2)中表面活性剂为氟碳表面活性剂。
作为优选,所述步骤(3)中疏水处理剂为烷基硅氧烷或含氟丙烯酸树脂。
作为优选,所述步骤(3)中将所述水性粘接树脂涂料涂覆于任意清洁后的硬质基底表面和步骤(4)中在所述水性粘接树脂层造孔过程中涂覆所述水性超双疏纳米涂料中涂覆方式为喷涂、浸渍提拉、滚涂或刷涂。
有益效果:
(1)选择食品行业常用的碳酸氢钠作为造孔剂,在造孔过程中生成的气体无毒、无味,从源头避免了有毒物质的残留或处理不完全,无毒环保。
(2)采用水性原料使得涂料在制备和使用过程中均以水作为溶剂,避免涉及任何有毒溶剂,不仅可大幅度降低涂料成本,且在运输及储藏方面还具备很大的优势,拓展了其应用前景。
(3)现有技术中,通常只采用不添加造孔剂的水性粘接树脂层保护超双疏纳米涂层,经手指打磨10次后水滴滚动角即大于45°,失去超疏水性;而添加碳酸氢钠制备的水性高耐磨超双疏涂层具备多孔结构,超双疏纳米颗粒嵌入孔洞结构中无法被机械磨损,保护超双疏涂层的微纳结构,经手指打磨100次后滚动角依旧小于10°,显著提高了超双疏涂层的耐磨性。
(4)本发明所述的造孔剂可适用于各种水性粘接树脂体系,包括水性氟树脂、氟碳树脂、聚氨酯和丙烯酸等,适用范围广。
(5)本发明所述制备方法对基底材质和形状要求低,设备简单、易操作,成本低廉,可大面积施工,在木材、竹材、水泥基材料等领域有巨大的应用。
附图说明
图1为水性高耐磨超双疏纳米涂层的水滴和油滴接触角光学图,图中左侧为水性高耐磨超双疏纳米涂层的水滴接触角光学图,右侧为水性高耐磨超双疏纳米涂层的油滴接触角光学图;
图2为水性高耐磨超双疏纳米涂层的扫描电子显微镜图;
图3为经手指打磨后的未添加和添加造孔剂的水性超双疏涂层疏水性对比图;
图4为经手指打磨后的水性高耐磨超双疏纳米涂层自清洁性能图,图中a为污泥粉污染涂层表面,b为滚动的水滴清理污泥粉,c为自清洁过程完成;
图5为高耐磨超双疏纳米涂层划格后的光学图;
图6为刀片划破涂层后的疏水性光学图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,本实施例中分散剂为纤维素硫磺酸钠,流平剂为聚酯改性有机硅氧烷,附着力促进剂选取硅烷化合物,水性树脂为水性氟碳树脂,造孔剂选取碳酸氢钠,表面活性剂选取氟碳表面活性剂,疏水处理剂为十二烷基三甲氧基硅氧烷,所述方法包括以下步骤:
(1)将0.5质量份分散剂、0.5质量份流平剂和0.5质量份附着力促进剂加入至45质量份的水性树脂中,然后加入5质量份造孔剂,持续机械搅拌获得分散均匀的水性粘接树脂涂料;
(2)将8质量份纳米硅溶胶、6质量份氨水、0.5质量份正硅酸四乙酯、0.5质量份表面活性剂、0.5质量份疏水处理剂分散于80质量份去离子水中,连续机械搅拌24 h,制备水性超双疏纳米涂料;
(3)将所述水性粘接树脂涂料涂覆于任意清洁后的硬质基底表面,置于120℃热台上加热45 s;
(4)在所述水性粘接树脂层造孔过程中涂覆所述水性超双疏纳米涂料,涂覆完成后置于80℃烘箱中继续造孔固化8小时即可获得耐磨超双疏纳米涂层。图1为该涂层的5 μL水滴和油滴的接触角图片,从图中可以看出,水滴和油滴接触角分别为160°和155.7°,造孔剂的添加保持了超双疏纳米涂层优异的超双疏性。
实施例2
一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,本实施例中分散剂为纤维素硫磺酸钠,流平剂为聚酯改性有机硅氧烷,附着力促进剂选取硅烷化合物,水性树脂为水性氟碳树脂,造孔剂选取碳酸氢钠,表面活性剂选取氟碳表面活性剂,疏水处理剂为十二烷基三甲氧基硅氧烷,所述方法包括以下步骤:
(1)将0.2质量份分散剂、0.2质量份流平剂和0.2质量份附着力促进剂加入至60质量份的水性树脂中,然后加入1质量份造孔剂,持续机械搅拌获得分散均匀的水性粘接树脂涂料;
(2)将1质量份纳米硅溶胶、2质量份氨水、0.1质量份正硅酸四乙酯、0.3质量份表面活性剂、0.1质量份疏水处理剂分散于100质量份去离子水中,连续机械搅拌12h,制备水性超双疏纳米涂料;
(3)将所述水性粘接树脂涂料涂覆于任意清洁后的硬质基底表面,置于80℃热台上加热30s;
(4)在所述水性粘接树脂层造孔过程中涂覆所述水性超双疏纳米涂料,涂覆完成后置于80℃烘箱中继续造孔固化6小时即可获得耐磨超双疏纳米涂层。由图2可以发现,该涂层为多孔结构,有利于保护超双疏纳米颗粒不被磨损。
实施例3
一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,本实施例中分散剂为纤维素硫磺酸钠,流平剂为聚酯改性有机硅氧烷,附着力促进剂选取硅烷化合物,水性树脂为水性氟碳树脂,造孔剂选取碳酸氢钠,表面活性剂选取氟碳表面活性剂,疏水处理剂为十二烷基三甲氧基硅氧烷,所述方法包括以下步骤:
(1)将0.8质量份分散剂、0.8质量份流平剂和0.8质量份附着力促进剂加入至30质量份的水性树脂中,然后加入15质量份造孔剂,持续机械搅拌获得分散均匀的水性粘接树脂涂料;
(2)将15质量份纳米硅溶胶、10质量份氨水、1质量份正硅酸四乙酯、0.8质量份表面活性剂、2质量份疏水处理剂分散于60质量份去离子水中,连续机械搅拌48 h,制备水性超双疏纳米涂料;
(3)将所述水性粘接树脂涂料涂覆于任意清洁后的硬质基底表面,置于120℃热台上加热60 s;
(4)在所述水性粘接树脂层造孔过程中涂覆所述水性超双疏纳米涂料,涂覆完成后置于120℃烘箱中继续造孔固化8小时即可获得耐磨超双疏纳米涂层。
实施例4
将实施例1和实施例3所获得的水性超双疏纳米涂层经戴橡胶手套的手指用5N的力打磨后,测量10 μL水滴的滚动角。图3为未添加和添加造孔剂的水性超双疏纳米涂层经手指打磨不同次数后的水滴滚动角,可以发现,添加造孔剂后的水性超双疏纳米涂层的耐磨性远高于未添加造孔剂的。
实施例5
将实施例1所获得的水性高耐磨超双疏纳米涂层经戴橡胶手套的手指用5N的力打磨50次后,在倾斜的表面撒上污泥粉,通过滚动的水滴可以清洁表面,从图4可以看出,无污泥粉和水滴残留。
实施例6
将实施例1所获得的水性高耐磨超双疏纳米涂层通过漆膜划格器十字交叉划格,图5为水性高耐磨超双疏纳米涂层划格后的光学图,从图中可以看出,经划格试验后,涂层未发生任何脱落,涂层附着力为0级。
实施例7
将实施例1所获得的水性高耐磨超双疏纳米涂层经刀片划破,图6为水滴在刀片划破后的水性高耐磨超双疏纳米涂层上的光学图,从图中可以看出,经刀片划破后,涂层依旧保持超疏水性,涂层具备优异的机械稳定性。

Claims (10)

1.一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
将0.2-0.8质量份分散剂、0.2-0.8质量份流平剂和0.2-0.8质量份附着力促进剂加入至30-60质量份的水性树脂中,然后加入1-15质量份造孔剂,持续机械搅拌获得分散均匀的水性粘接树脂涂料;
将1-15质量份酸性链式纳米硅溶胶、2-10质量份35 wt.%氨水、0.1-1质量份正硅酸四乙酯、0.3-0.8质量份表面活性剂、0.1-2质量份疏水处理剂分散于60-100质量份去离子水中,连续机械搅拌12-48 h,制备水性超双疏纳米涂料;
将所述水性粘接树脂涂料涂覆于任意清洁后的硬质基底表面,置于80-120℃热台上加热30-60 s;
在所述水性粘接树脂层加热过程中涂覆所述水性超双疏纳米涂料,涂覆完成后置于80-120℃烘箱中继续造孔固化6-8小时即可获得耐磨超双疏纳米涂层。
2.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中造孔剂为碳酸氢钠溶液或在水中能够溶解或分散均匀的受热分解产生气体或沸点远大于水的造孔剂构造多孔结构。
3.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中造孔剂为碳酸氢钠溶液或在水中能够溶解或分散均匀的受热分解产生气体或沸点远大于水的草酸、氯化铵、烷类和烃类化合物及其卤代物,所述碳酸氢钠溶液中碳酸氢钠与水的质量比为(1-15):(5-30)。
4.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中水性树脂为水性氟树脂、有机硅树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中分散剂为纤维素硫磺酸钠。
6.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中流平剂为聚醚或聚酯改性有机硅氧烷。
7.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中附着力促进剂为硅烷化合物。
8.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中表面活性剂为氟碳表面活性剂。
9.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中疏水处理剂为烷基硅氧烷或含氟丙烯酸树脂。
10.根据权利要求1所述的一种水性高耐磨超双疏纳米涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中将所述水性粘接树脂涂料涂覆于任意清洁后的硬质基底表面和步骤(4)中在所述水性粘接树脂层造孔过程中涂覆所述水性超双疏纳米涂料中涂覆方式为喷涂、浸渍提拉、滚涂或刷涂。
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