CN110041741B - 一种高效集水自清洁超双疏涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高效集水自清洁超双疏涂层及其制备方法，属于超浸润功能涂层材料制备领域。所述涂层为表面形成纳米多孔结构与亲水微米颗粒结构复合的多级微纳粗糙结构涂层。首先将碱化处理的链式水性硅溶胶加入到挥发性有机溶液中，然后进行表面疏水改性，获得超双疏面漆；再将微米级颗粒采用亲水聚合物包覆，并与超双疏面漆杂化，涂覆于基底表面并干燥，获得超双疏杂化涂层表面。所述涂层不仅具有优异的冷凝强化结露效果、良好的水滴自驱弹跳脱附效果、高效的水雾收集效果，而且具备超疏水和超疏油的超双疏特性，并展示了优异的自清洁、抗油污性能，在自清洁、水雾收集、脱盐、冷凝换热等方面具有广泛的应用，且设备工艺简单、易操作，适合大规模制备生产。

Description

一种高效集水自清洁超双疏涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于超浸润功能涂层材料制备技术领域，具体涉及一种高效集水自清洁超双疏涂层及其制备方法。

背景技术

固体表面超疏水性(接触角＞150°，滚动角＜10°)是十分常见但又非常特殊的一类超浸润现象，如超疏水自清洁的荷叶、超疏水高负载的水黾腿、超疏水防起雾的蚊子眼等。以此为启发，通过仿生手段在材料表面构建粗糙结构，并对其进行低表面能修饰，或直接在低表面能材料表面构建粗糙结构，是目前获得超疏水性表面的重要方法之一。近年来，随着超疏水表面的应用研究不断取得突破，并基于纳米布沙漠甲虫、仙人掌、猪笼草等生物水收集行为的启发，人们开始研究具有亲水、疏水综合性能的仿生表面。

但是，当前制备的水收集仿生表面，多数采用反应离子刻蚀、光刻技术、光催化技术以及激光加工技术等手段，这些技术手段不仅设备成本高，工艺复杂，而且加工难度大，对于材料表面的规模化制备和应用，造成了严重的阻碍和困扰。同时，目前文献报道的很多水收集表面，多数只关注其集水特性，而对于材料表面的自清洁、抗油污等特性，则很少提及，这对材料表面用于户外实施集水，也造成了一定的瓶颈限制。

发明内容

解决的技术问题：针对上述现有技术中存在水收集表面存在的制备应用困难、自清洁抗油污特性较差等问题，本发明提供一种高效集水自清洁超双疏涂层及其制备方法，制备的涂层表面不仅具有优异的冷凝强化结露效果、良好的水滴自驱弹跳脱附效果、高效的水雾收集效果，而且整个涂层表面表现出具备同时超疏水和超疏油的超双疏特性，并展示了优异的自清洁、抗油污性能。

技术方案：一种高效集水自清洁超双疏涂层，所述高效集水自清洁超双疏涂层为表面形成纳米多孔结构与亲水微米颗粒结构复合的多级微纳粗糙结构涂层。

上述高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，所述方法步骤如下：

（1）超双疏面漆配制：将酸性的链式水性硅溶胶分散于碱性水溶液中进行碱化处理，再加入到挥发性有机溶液中，或直接将碱性的链式水性硅溶胶加入到挥发性的有机溶液中，然后再加入正硅酸四乙酯、疏水处理剂进行表面疏水改性，经机械搅拌后获得超双疏面漆；

（2）聚合物包裹颗粒：将待包裹颗粒在机械搅拌状态下将颗粒分散于无水乙醇中，然后加入亲水性聚合物进行搅拌，形成亲水性聚合物包覆颗粒溶液，干燥后得到聚合物包裹颗粒；

（3）底漆制备：将稀释剂、氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂、疏水气相二氧化硅、清漆、氟碳树脂固化剂和清漆固化剂进行混合，机械搅拌后获得底漆悬浮液，喷涂于基底表面后常温固化即可获得底漆涂层；

（4）高效集水自清洁超双疏涂层制备：将步骤（1）制备的超双疏面漆与步骤（2）制备的聚合物包裹颗粒进行搅拌混合，加入交联剂、阴离子型含氟丙烯酸表面活性剂后机械搅拌，获得可用于高效集水的自清洁超双疏乳液，涂覆于步骤（3）固化后的底漆涂层后干燥即可获得自清洁超双疏涂层。

作为优选，所述方法步骤如下：

（1）超双疏面漆配制：将1~15体积份纳米硅溶胶、2~10体积份25-28 wt.%氨水、6~16体积份去离子水、0.1~1体积份正硅酸四乙酯、0.1~2体积份疏水处理剂分散于60~100体积份无水乙醇中，在100-300 rpm转速下机械搅拌12~48 h得到超双疏面漆；

（2）聚合物包裹颗粒：选择粒径为3～50 μm的待包覆颗粒，在100-300 rpm机械搅拌状态下将颗粒分散于无水乙醇中，获得0.3-2%质量比浓度溶液，随后加入亲水性聚合物对颗粒进行包裹，形成亲水性聚合物包裹颗粒溶液，并于80-90℃烘箱内干燥5-10 h获得亲水性聚合物包覆颗粒粉体，其中亲水性聚合物与颗粒的质量比为(1~5):29；

（3）底漆制备：将10-30质量份稀释剂，1-5质量份氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂，0.1-0.3质量份疏水气相二氧化硅，0.1-0.5质量份清漆，0.5-2质量份氟碳树脂固化剂，0.1-0.3质量份清漆固化剂进行混合，在100-200 rpm转速下机械搅拌15-20 min，获得底漆悬浮液，喷涂于基底表面后常温固化1-2 h即可获得底漆涂层；

（4）高效集水自清洁超双疏涂层制备：将1-2质量份步骤（2）制备的树脂包覆颗粒粉体加入到300-500质量份步骤（1）制备的超双疏面漆中，在50-200 rpm转速下机械搅拌，并加入1-2质量份交联剂，再加入0.1-0.5质量份阴离子型含氟丙烯酸表面活性剂，机械搅拌10-30 min，获得可用于高效集水的自清洁超双疏乳液，涂覆于步骤（3）固化后的底漆涂层后在50-90℃温度下干燥即可获得自清洁超双疏涂层。

作为优选，所述步骤（1）中疏水处理剂为氟硅烷或硫醇。

作为优选，所述步骤（2）中待包裹颗粒为碳化硅、二硫化钼、铜颗粒和氮化硼颗粒中的至少一种。

作为优选，所述步骤（2）中亲水性聚合物为硅烷偶联剂、聚乙烯醇、丙烯酸树脂、环氧树脂和聚氨酯中的至少一种。

作为优选，所述步骤（2）中颗粒形状为立体三角形柱体结构、棱锥状结构、圆锥状结构或针状结构。

作为优选，所述步骤（2）中颗粒形状为圆锥状结构，底面直径为5-50 μm，顶部夹角为4-20°。

作为优选，所述步骤（3）中清漆为丙烯酸清漆，清漆固化剂为丙烯酸树脂固化剂，稀释剂为挥发性酯、酮、苯和醚中的至少一种。

作为优选，所述步骤（4）中交联剂为硅烷偶联剂、聚乙烯醇、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯中的至少一种。

有益效果：

1、通过超双疏面漆的制备，使超疏水表面从当前的疏水而不疏油现状，向前推进改性，获得同时具备超疏水、超疏油特性的超双疏表面，通过将聚合物包覆改性的颗粒与超双疏表面按照设定的比例杂化之后，杂化涂层表面仍然具备良好的超双疏特性，为集水涂层表面的自清洁、抗油污性能提高奠定了良好的基础。

2、本申请的涂层表面由于存在亲水聚合物包覆改性颗粒，致使材料表面在冷凝过程中，其结露特性得到有效强化，提升了材料表面的露滴形核效率，而在结露过程中，该表面还具备良好的水滴合并自驱弹跳现象，水滴形核长大之后通过该现象以及重力的作用，实现了水滴的快速脱附。

3、本申请具备优异的水收集性能，经实验计算，本申请的集水表面相对于当前的超疏水表面来说，其集水效果最高提升了2倍以上。在干旱、半干旱地区的水收集、工厂、电厂排放废气中的水回收、海水脱盐淡化技术、空调换热器翅片表面的冷凝强化换热等方面，均具有广泛的应用前景。

4、本申请制备工艺简单，涂层涂覆对基底要求低，金属、无机材料、聚合物等硬质或软质表面均可进行涂覆，且对平面或曲面也没有要求，设备简单、易操作，成本低廉，可大面积配制施工，更加利于涂层表面的推广应用。

5、本申请的高效集水自清洁超双疏涂层对设备要求低，具备超声分散和机械搅拌的装置即可满足制备条件；其次，制备原材料易采购，如所述挥发性有机溶剂可采用无水乙醇，所述疏水处理剂为低表面能物质；再次，制备方法简单易于操作，将超双疏面漆与包覆有亲水性聚合物的颗粒进行均匀混合杂化，形成颗粒杂化面漆；将该杂化面漆涂覆于基底表面，经干燥之后，形成同时包含有超疏水颗粒和亲水颗粒的自清洁杂化涂层表面；最后，该自清洁超双疏涂层表面具备优异的强化露滴冷凝、强化水滴脱附效率、提高集水效率以及自清洁、超双疏等特性。

6、对于自清洁方面，专利申请号为201821205809.8 的中国专利，采用的是疏水层结合雨水冲刷灰尘的方式，申请号为201711045125.6、200910241689.6的中国专利，也提出具有自清洁超疏水涂层，但是这些现有技术，其自清洁表面仅仅是超疏水或疏水，难以实现抗油污、强化结露以及集水效率的效果，其功能性相对更为单一。在集水方面，专利号为201520291431.8的中国专利公开一种从空气中收集水分的集水灌溉装置，该装置主要从设备和结构设置的角度出发进行集水，其自清洁、超双疏特性以及抗油污特性均很弱；此外，申请号为201720328428.8的中国专利，也公开了一种雾水收集器，这种集雾器也采用了亲疏水纳米涂层，但是这种亲疏水纳米涂层采用的结构形式为多条亲水条和疏水条间隔设置的方式，这种涂层的缺点在于：由于条状的亲水结构相对比较长，水滴结露之后，亲水条对水滴的粘附力较大，因而难以实现水滴快速的弹跳脱附，对于集水效率的提高有很大影响；同时，该涂层表面也不具备超双疏特性，抗油污效果以及自清洁效果难以保证；此外，这种涂层制备亲水涂层条和疏水涂层条的方式，制备工艺相对更为复杂，成本相对也会更高，不利于批量化生产和规模化制备。因此，基于现有技术手段，目前在国内外还没有能够同时具备高效形核结露、高效集水、高效脱附以及超双疏、自清洁、抗油污的涂层表面，尤其是在抗油污自清洁的集水表面制备技术，在国内外文献以及专利中，均未见报道，体现了本申请涂层功能的多样性以及创造性，为高效自清洁集水涂层表面的制备推进做出了重要的研究贡献。

附图说明

图1为超双疏面漆扫描电子显微镜图；

图2为杂化面漆的扫描电子显微镜图，图中（a）为未改性前待包裹碳化硅颗粒，（b）为树脂改性包覆之后的碳化硅颗粒，（c）为将未改性碳化硅颗粒与超双疏面漆杂化的表面，（d）为将聚合物改性包覆的碳化硅颗粒与超双疏面漆杂化的表面；

图3为不同涂层表面的水接触角和油接触角，其中左侧图为不同涂层表面的水接触角，右侧图为不同涂层表面的油接触角，S1、S2、S3分别指代超双疏面漆涂层表面、未改性碳化硅杂化的涂层表面和改性树脂包覆的杂化涂层自清洁超双疏表面；

图4 为超双疏面漆涂层表面、颗粒未改性杂化涂层表面、聚合物改性杂化涂层表面的冷凝图，图中S1、S2、S3分别指代超双疏面漆涂层表面、未改性碳化硅杂化的涂层表面和改性树脂包覆的杂化涂层自清洁超双疏表面；

图5 不同表面的集水率统计图，图中S1、S2、S3分别指代超双疏面漆涂层表面、未改性碳化硅杂化的涂层表面和改性树脂包覆的杂化涂层自清洁超双疏表面；

图6 聚合物改性杂化表面的水/油自清洁表征图，图中（a）为未滴水时聚合物改性杂化表面的表征图，（b）为滴水时聚合物改性杂化表面的表征图，（c）为滴水后聚合物改性杂化表面的水自清洁表征图，（d）为未滴油时聚合物改性杂化表面的表征图，（e）为滴油时聚合物改性杂化表面的表征图，（f）为滴油后聚合物改性杂化表面的油自清洁表征图；

图7 聚合物改性杂化涂层表面的水滴自驱弹跳脱附轨迹图。

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。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其制备过程如下：

（1）超双疏面漆配制：将1体积份纳米硅溶胶、2体积份28 wt.%氨水、6体积份去离子水、0.1体积份正硅酸四乙酯、0.1体积份疏水处理剂分散于60体积份无水乙醇中，100rpm转速下连续机械搅拌12 h得到超双疏面漆，所述疏水处理剂为氟硅烷。

（2）树脂包覆颗粒制备：选择颗粒粒径为3 μm的待包覆颗粒，本实施例中待包裹颗粒为碳化硅，所述碳化硅颗粒形状为圆锥状结构，底面直径为5-50μm，顶部夹角为4-20°，在100 rpm机械搅拌状态下将颗粒分散于无水乙醇中，获得0.3%质量比浓度溶液，随后加入环氧树脂，对颗粒进行包裹，形成环氧树脂包覆颗粒溶液，并于80℃烘箱内干燥5 h获得环氧树脂包覆颗粒粉体，所述环氧树脂加入量与颗粒的质量比为1:29；其中质量单位为克，体积单位为毫升。

（3）底漆制备：将20质量份稀释剂，3质量份FEVE，0.2质量份疏水气相二氧化硅，0.3质量份清漆，1质量份FEVE固化剂，0.2质量份清漆固化剂进行混合，在150 rpm转速下机械搅拌18 min，获得底漆悬浮液，喷涂于基底表面后常温固化1.5 h即可获得底漆涂层，所述FEVE是氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂，FEVE固化剂为氟碳树脂固化剂，所述清漆是丙烯酸清漆，清漆固化剂为丙烯酸树脂固化剂，所述稀释剂为乙酸丁酯。

（4）高效集水自清洁超双疏涂层制备：将1.5质量份步骤（2）制备的环氧树脂包覆颗粒粉体加入到300质量份步骤（1）制备的超双疏面漆中，在50 rpm转速下机械搅拌，并加入1.5质量份硅烷偶联剂，进一步交联树脂包覆颗粒与超双疏面漆中纳米硅溶胶的粘结，再加入0.1质量份阴离子型含氟丙烯酸表面活性剂，机械机械搅拌10 min，获得可用于高效集水的自清洁超双疏乳液，涂覆于步骤（3）固化后的底漆涂层后在50℃温度下干燥即可获得自清洁超双疏涂层。所述超双疏乳液涂覆于基底的工艺包括喷涂、浸渍提拉、浸扎。

上述制备的自清洁超双疏涂层特征在于：首先，本涂层对设备要求低，具备超声分散和机械搅拌的装置即可满足制备条件；其次，制备原材料易采购，如所述挥发性有机溶剂可采用无水乙醇，所述疏水处理剂为低表面能物质；再次，制备方法简单易于操作，将超双疏面漆与包覆有亲水性聚合物的颗粒进行均匀混合杂化，形成颗粒杂化面漆；将该杂化面漆涂覆于基底表面，经干燥之后，形成同时包含有超疏水颗粒和亲水颗粒的自清洁杂化涂层表面；最后，该自清洁超双疏涂层表面具备优异的强化露滴冷凝、强化水滴脱附效率、提高集水效率以及自清洁、超双疏等特性。

实施例2

一种高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其制备过程如下：

（1）超双疏面漆配制：将1体积份纳米硅溶胶、2体积份25 wt.%氨水、6体积份去离子水、0.1体积份正硅酸四乙酯、0.1体积份疏水处理剂分散于60体积份无水乙醇中，所述疏水处理剂为氟硅烷，在100 rpm转速下机械搅拌12 h得到超双疏面漆；

（2）聚合物包裹颗粒：选择粒径为3～50 μm的待包覆颗粒，本实施例中待包裹颗粒为二硫化钼，所述颗粒形状为立体三角形柱体结构，在100 rpm机械搅拌状态下将颗粒分散于无水乙醇中，获得0.3%质量比浓度溶液，随后加入亲水性聚合物对颗粒进行包裹，所述亲水性聚合物为聚乙烯醇，形成亲水性聚合物包裹颗粒溶液，并于80℃烘箱内干燥5 h获得亲水性聚合物包覆颗粒粉体，其中亲水性聚合物与颗粒的质量比为1:29；

（3）底漆制备：将10质量份稀释剂，1质量份氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂，0.1质量份疏水气相二氧化硅，0.1质量份清漆，0.5质量份氟碳树脂固化剂，0.1质量份清漆固化剂进行混合，在100 rpm转速下机械搅拌15 min，获得底漆悬浮液，喷涂于基底表面后常温固化1h即可获得底漆涂层，所述清漆为丙烯酸清漆，清漆固化剂为丙烯酸树脂固化剂，所述稀释剂为乙二醇丁醚；

（4）高效集水自清洁超双疏涂层制备：将1质量份步骤（2）制备的树脂包覆颗粒粉体加入到300质量份步骤（1）制备的超双疏面漆中，在50 rpm转速下机械搅拌，并加入1质量份交联剂，所述交联剂为聚乙烯醇，再加入0.1质量份阴离子型含氟丙烯酸表面活性剂，机械搅拌10 min，获得可用于高效集水的自清洁超双疏乳液，涂覆于步骤（3）固化后的底漆涂层后在50℃温度下干燥即可获得自清洁超双疏涂层。

实施例3

一种高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其制备过程如下：

（1）超双疏面漆配制：将15体积份纳米硅溶胶、10体积份28 wt.%氨水、16体积份去离子水、1体积份正硅酸四乙酯、2体积份疏水处理剂分散于100体积份无水乙醇中，所述疏水处理剂为氟硅烷，在300 rpm转速下机械搅拌48 h得到超双疏面漆；

（2）聚合物包裹颗粒：选择粒径为3～50 μm的待包覆颗粒，所述待包裹颗粒为铜颗粒，所述颗粒形状为棱锥状结构，在300 rpm机械搅拌状态下将颗粒分散于无水乙醇中，获得2%质量比浓度溶液，随后加入亲水性聚合物对颗粒进行包裹，所述亲水性聚合物为丙烯酸树脂，形成亲水性聚合物包裹颗粒溶液，并于80℃烘箱内干燥10 h获得亲水性聚合物包覆颗粒粉体，其中亲水性聚合物与颗粒的质量比为5:29；

（3）底漆制备：将30质量份稀释剂，5质量份氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂，0.3质量份疏水气相二氧化硅，0.5质量份清漆，2质量份氟碳树脂固化剂，0.3质量份清漆固化剂进行混合，在200 rpm转速下机械搅拌20 min，获得底漆悬浮液，喷涂于基底表面后常温固化2 h即可获得底漆涂层，所述清漆为丙烯酸清漆，清漆固化剂为丙烯酸树脂固化剂，所述稀释剂为丙酮；

（4）高效集水自清洁超双疏涂层制备：将2质量份步骤（2）制备的树脂包覆颗粒粉体加入到500质量份步骤（1）制备的超双疏面漆中，在200 rpm转速下机械搅拌，并加入2质量份交联剂，所述交联剂为丙烯酸树脂，再加入0.5质量份阴离子型含氟丙烯酸表面活性剂，机械搅拌30 min，获得可用于高效集水的自清洁超双疏乳液，涂覆于步骤（3）固化后的底漆涂层后在90℃温度下干燥即可获得自清洁超双疏涂层。

实施例4

一种高效集水自清洁超双疏涂层及其制备方法，其另一种实施方式具体包括如下步骤：

（1）超双疏面漆配制：直接将2 mL碱性的纳米链式水性硅溶胶加入到120 mL的挥发性的有机溶液中，所述挥发性有机溶剂液为无水乙醇，再分别加入0.2 mL正硅酸四乙酯和0.2 mL疏水处理剂进行表面疏水改性，所述疏水处理剂为氟硅烷，经100 rpm机械搅拌24h后获得超双疏面漆；

（2）颗粒树脂包覆：将待包覆的颗粒0.58 g加入到容器中，所述待包裹颗粒为碳化硅，其形状为仿照仙人掌棘刺的锥形结构，所述仿仙人掌棘刺的锥形结构包括圆锥状结构、针状结构，待包裹颗粒的粒径为50 μm，然后依次添加150 mL无水乙醇和0.02 mL亲水性聚合物，所述亲水性聚合物为环氧树脂，100 prm下搅拌10 min，然后90℃进行干燥，形成聚合物包覆颗粒；

（3）颗粒杂化：将步骤（1）制备的超双疏面漆与步骤（2）制备的包覆颗粒按照质量比为1:300的比例进行搅拌混合，形成杂化自清洁超双疏悬浮乳液；

（4）底漆制备：将20 g稀释剂，4 g FEVE，0.2 g疏水气相二氧化硅，0.3 g清漆，1 gFEVE固化剂，0.2 g清漆固化剂进行混合，在150 rpm转速下机械搅拌18 min，获得底漆悬浮液，喷涂于基底表面后常温固化1.5 h即可获得底漆涂层，所述FEVE是氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂，FEVE固化剂为氟碳树脂固化剂，所述清漆是丙烯酸清漆，清漆固化剂为丙烯酸树脂固化剂；所述的稀释剂为苯乙烯；

（5）高效集水自清洁超双疏涂层制备：将面漆涂覆于步骤（4）固化后的底漆涂层表面，并进行干燥，形成具备强化冷凝、高效脱附、高效集水性能的自清洁超双疏涂层表面。

该高效集水自清洁超双疏涂层，将超双疏面漆与包覆有亲水性聚合物的颗粒进行均匀混合杂化，形成颗粒杂化面漆；将该杂化面漆涂覆于基底表面，经干燥之后，形成同时包含有超疏水颗粒和亲水颗粒的杂化涂层表面；该涂层表面具备强化露滴冷凝、强化水滴脱附、提高集水效率以及自清洁、超双疏特性。

实施例5

超双疏面漆的配制：（1）将6 mL的28 wt.%氨水溶液与12 mL的去离子水溶液经超声分散混合5 min后，再逐滴添加1g的纳米链式水性硅溶胶，超声分散5 min后获得澄清混合溶液；（2）将上述混合溶液逐滴添加到100 mL无水乙醇中，超声5 min后再机械搅拌10min，再逐滴添加0.3 mL的正硅酸四乙酯溶液，继续机械搅拌10 min后，再逐滴添加0.3 mL的疏水处理剂硫醇，最后连续机械搅拌18 h后获得超双疏面漆。

将上述制备的超双疏面漆涂覆于基底表面之后，得到具有表面多孔粗糙结构的超双疏面漆，其扫描电子显微镜图参见图1。

自清洁超双疏涂层的制备：将0.06 g粒径为3-50 μm碳化硅颗粒放入烧杯中，向其中加入20 mL无水乙醇溶液，然后再向其中缓慢加入4 μL的亲水聚合物丙烯酸树脂。100rpm搅拌5 min之后，将其置于90℃烘箱中干燥。颗粒干燥之后，将烧杯取出，向其中加入20mL上述制备的超双疏面漆，超声1 min，再加入0.02 g表面活性剂和0.04 g交联剂，再搅拌5min之后，将面漆涂覆于玻片基底表面，再次置于90℃烘箱烘干，获得树脂改性颗粒包覆的杂化表面，即所述自清洁超双疏涂层。杂化面漆的扫描电子显微镜图参见图2，该表面具备良好的自清洁与超双疏特性。

参见图3，三种表面均具备较高的水/油接触角（＞150°），以及较低的水/油滚动角（＜5°），表现出较好的超疏水/超疏油特性。

实施例6

如图4所示，将实施例4制备的纳米二氧化硅超双疏面漆涂层表面，改性树脂包覆的杂化涂层表面，以及未改性碳化硅杂化的涂层表面集水5 h之后的形态进行记录，其中，未改性的碳化硅杂化涂层表面制备方法为：直接将0.06 g粒径为3-50 μm碳化硅颗粒放入烧杯中，再加入实施例4中制备的超双疏面漆20 mL，100 rpm搅拌5 min即可。从图中可知，改性树脂包覆的杂化涂层表面的结露量更多，在其表面也是超疏水的状态下，较高的结露量更加利于集水效率的提高。从图5中的数据可知，在进行未包覆的碳化硅颗粒杂化以及改性树脂包覆的杂化之后，涂层表面集水量都有所上升，而其中，改性树脂包覆的杂化涂层表面的集水量更高。

实施例7

在本实施例中，采用实施例5制备的改性树脂包覆的杂化涂层表面进行自清洁试验。将涂层表面撒上大量粉煤灰之后，分别在涂层表面滴水（参见图6（a））和滴油（参见图6（b）），可以发现水和油均能够快速从涂层表面滚落，并将涂层表面的大量灰尘带走，表现出优异的自清洁性能。

实施例8

参见图7，在实施例2改性树脂包覆的杂化涂层表面，垂直方向上水滴结露之后，相邻水滴之间的合并，能够诱发自驱弹跳脱附现象，这种现象十分利于冷凝水滴的快速脱附，再结合冷凝结露特性的强化提高，致使该涂层表面具备高效的水收集特性，在工厂/电厂废气水回收、脱盐、冷凝换热等领域具备广阔的应用前景。

实施例9

自清洁性能对比：申请号为201821205809.8 的中国专利，公开了一种自清洁功能的太阳能光伏板，该电池板采用的自清洁技术方案为：结合水箱供水冲刷超疏水涂层表面的方式，将太阳能电池板表面的灰尘带走。但是，这种表面制备的超疏水涂层不具备强化结露以及超双疏的效果，其抗油污效果存在缺陷。如果遇到油污污染等情况，其表面灰尘不能通过滴水的方式冲走，导致自清洁性能出现缺陷。而相对于本申请的自清洁涂层来说，不仅能够通过水、通过油滴也能够实现自清洁效果，其抗油污效果相对更好，油/水自清洁的功能，相对更为全面彻底。申请人将未处理的玻璃片上撒上灰尘，分别采用油滴和水滴滴在玻片表面，经过实验对比，未处理的玻片表面会粘附大量的水或油，从而引起大量灰尘滞留于玻片表面，说明未处理的玻片表面不具备超双疏和自清洁效果，进而通过对比实验可知，本申请的涂层自清洁效果优于常规亲水表面。

集水性能对比：申请号为201720328428.8 的中国专利公开了一种雾水收集器，这种雾水收集器采用了亲水涂层条和疏水涂层条间隔设置的涂层表面对雾水进行收集。但是，该表面存在一个问题：一是不具备超双疏特性，致使涂层的水滴脱附效果存在一定影响，从而影响脱附效率，致使水收集效率降低。申请人在前期的工作中，曾经制备了这种条形亲水/疏水图案间隔的表面，经过集水效率测试，发现其集水效率仅为大约1500 g/m²/h。再进一步地，发明人将超亲水表面用于集水实验，结果发现，由于超亲水表面对水滴的粘附能力更强，导致结露的水滴形成水膜，并大量滞留在超亲水表面，致使超亲水表面的集水率仅为大约360 g/m²/h。而本申请的涂层表面，经过相同条件的集水实验，得出集水效率可以达到大约2800 g/m²/h，其效率远远高于亲水/疏水条状间隔的集水表面。上述研究结果说明：本申请的杂化涂层具备更好的强化结露效果以及更高的露滴脱附效率，从而具备更高的集水率。

超双疏性能对比：无论申请号为201710710771.3的柔性超疏水涂层、以及申请号为201711045125.6的自清洁超疏水涂层，其表面均只体现超疏水特性，其超疏油效果没有任何体现，尤其是该表面的抗油污效果完全不如本申请的涂层表面。因此，本申请的涂层表面超双疏性能更具备技术优势。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，所述高效集水自清洁超双疏涂层为表面形成纳米多孔结构与亲水微米颗粒结构复合的多级微纳粗糙结构涂层，其特征在于，所述方法步骤如下：

步骤（1）超双疏面漆配制：将1~15体积份纳米硅溶胶、2~10体积份25-28 wt.%氨水、6~16体积份去离子水、0.1~1体积份正硅酸四乙酯、0.1~2体积份疏水处理剂分散于60~100体积份无水乙醇中，在100-300 rpm转速下机械搅拌12~48 h得到超双疏面漆；

步骤（2）聚合物包裹颗粒：选择粒径为3～50 μm的待包覆颗粒，在100-300 rpm机械搅拌状态下将颗粒分散于无水乙醇中，获得0.3-2%质量比浓度溶液，随后加入亲水性聚合物对颗粒进行包裹，形成亲水性聚合物包裹颗粒溶液，并于80-90℃烘箱内干燥5-10 h获得亲水性聚合物包覆颗粒粉体，其中亲水性聚合物与颗粒的质量比为(1~5):29；

步骤（3）底漆制备：将10-30质量份稀释剂，1-5质量份氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂，0.1-0.3质量份疏水气相二氧化硅，0.1-0.5质量份清漆，0.5-2质量份氟碳树脂固化剂，0.1-0.3质量份清漆固化剂进行混合，在100-200 rpm转速下机械搅拌15-20 min，获得底漆悬浮液，喷涂于基底表面后常温固化1-2 h即可获得底漆涂层；

步骤（4）高效集水自清洁超双疏涂层制备：将1-2质量份步骤（2）制备的亲水性聚合物包覆颗粒粉体加入到300-500质量份步骤（1）制备的超双疏面漆中，在50-200 rpm转速下机械搅拌，并加入1-2质量份交联剂，再加入0.1-0.5质量份阴离子型含氟丙烯酸表面活性剂，机械搅拌10-30 min，获得可用于高效集水的自清洁超双疏乳液，涂覆于步骤（3）固化后的底漆涂层后在50-90℃温度下干燥即可获得自清洁超双疏涂层。

2.根据权利要求1所述的高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中疏水处理剂为氟硅烷或硫醇。

3.根据权利要求1所述的高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中待包裹颗粒为碳化硅、二硫化钼、铜颗粒和氮化硼颗粒中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中亲水性聚合物为硅烷偶联剂、聚乙烯醇、丙烯酸树脂、环氧树脂和聚氨酯中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中颗粒形状为立体三角形柱体结构、棱锥状结构、圆锥状结构或针状结构。

6.根据权利要求1所述的高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中颗粒形状为圆锥状结构，底面直径为5-50 μm，顶部夹角为4-20°。

7.根据权利要求1所述的高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中清漆为丙烯酸清漆，清漆固化剂为丙烯酸树脂固化剂，所述稀释剂为挥发性酯、酮、苯和醚中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的高效集水自清洁超双疏涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中交联剂为硅烷偶联剂、聚乙烯醇、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯中的至少一种。

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