CN111019411A - 不粘纳米剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了不粘纳米剂的制备方法，其包括：第一混合物，所述第一混合物由石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂制得；第二混合物，所述第二混合物由纳米金属粉、有机酸、去离子水、偶联剂制得；以及将所述第一混合物与所述第二混合物混合。本发明制备出的不粘纳米剂具有硬度大、耐酸碱性、耐热、疏水、抗污的功能。

Description

不粘纳米剂及其制备方法

领域

本发明涉及纳米剂，特别涉及不粘纳米剂及其制备方法。

背景

不粘纳米剂是一种纳米层表面不易被其他粘性物质所粘附或粘着后易被除去的特种纳米剂。它具有表面能低、摩擦系数小、易滑动等特点。目前不粘性纳米剂的研究一般分为两种方法：一是低表面能氟树脂来充当纳米剂的成膜物质或在纳米剂中添加低表面能的含氟添加剂的氟碳纳米剂；而另一种就是根据荷叶自清洁特性，在纳米剂构造出具有微纳米结构的表面，再通过低表面能的化学物质对其表面进行化学修饰，得到疏水或超疏水的纳米层。

尽管不粘纳米剂有很多优异的特性，但还存在一些关键问题制约其发展与应用，如与基底结合力弱、一般需要高温固化、抗磨损能力差等缺点。

概述

一方面，本公开涉及不粘纳米剂的制备方法，其包括：

第一混合物，所述第一混合物由石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂制得；

第二混合物，所述第二混合物由纳米金属粉、有机酸、去离子水、偶联剂制得；以及

将所述第一混合物与所述第二混合物混合。

另一方面，本公开涉及基于上述不粘纳米剂的制备方法制备的不粘纳米剂。

详述

在以下的说明中，包括某些具体的细节以对各个公开的实施方案提供全面的理解。然而，相关领域的技术人员会认识到，不采用一个或多个这些具体的细节，而采用其他方法、部件、材料等的情况下仍实现实施方案。

除非本公开中另有要求，在整体说明书和所附的权利要求中，词语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”应解释为开放式的、含括式的意义，即“包括但不限于”。

在整体说明书中提到的“一实施方案”、“实施方案”、“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”意指在至少一实施方案中包括与该实施方案所述的相关的具体参考要素、结构或特征。因此，在整个说明书中不同位置出现的短语“在一实施方案中”或“在实施方案中”或“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”不必全部指同一实施方案，此外，具体要素、结构或特征可以任何适当的方式在一个或多个实施方案中结合。

定义

在本公开中，术语“石墨烯”是一种由sp²杂化碳原子组成的二维晶体材料，具有略微波浪状的层式结构，是目前发现的力学性能最好的材料之一，同时具有较好的导热性能及耐化学品性。

在本公开中，术语“纳米SiO₂”是一种无机化工材料，具有很多独特的性质，如提高其他材料的抗老化、强度和耐化学性能，尺寸范围在1至100nm之间，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。

在本公开中，术语“纳米Al₂O₃”具有多孔性、高分散、高活性、耐高温、耐酸碱性能。

在本公开中，术语“纳米铜”是用纳米材料制成的用品，具有超塑延展性。

在本公开中，术语“纳米银”是将粒径做到纳米级的金属银单质。

在本公开中，术语“有机酸”是指具有酸性的有机化合物。

在本公开中，术语“偶联剂”是一类具有两种不同性质官能团的物质，其分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与有机物发生化学反应或生成氢键溶于其中，用以改善无机物与有机物之间的界面作用，从而提高复合材料的性能。

在本公开中，术语“超声波粉碎机”是一种利用超声波在液体中的分散效应，使液体产生空化作用，从而使液体中的固体颗粒分散的仪器。

在本公开中，术语“混料锅”是由一个水平旋转的容器和旋转的立式搅拌叶片等组成，成型料搅拌时，容器向左转，叶片向右转，由于逆流的作用，成型料各颗粒间运动方向交叉，互相接触的机会增多，逆流混料机对料的挤压力小，发热量低，搅拌效率高，混料较为均匀。

具体实施方式

一方面，本公开涉及不粘纳米剂的制备方法，其包括：

第一混合物，所述第一混合物由石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂制得；

第二混合物，所述第二混合物由纳米金属粉、有机酸、去离子水、偶联剂制得；以及

将所述第一混合物与所述第二混合物混合。

其中，纳米材料添加在纳米不粘剂中可大大提高纳米不粘剂的耐冲击性、耐老化、耐腐蚀等性能，并可获得一些新的特殊功能如自清洁、疏水性好、耐酸碱等。

在某些实施方案中，其中按重量份数计，第一混合物由0.01至3份石墨烯、40至60份纳米SiO₂、5至15份纳米Al₂O₃、10至25份有机溶剂制成。

其中，石墨烯具有较好的力学性能、导热性能及耐化学品性，同时由于石墨烯的加入，使得不粘纳米剂的耐磨性得到提高。

纳米SiO₂是无定形白色粉末(指其团聚体)，表面存在不饱和键及不同键合状态的羟基，其分子状态呈三维链状结构,这种结构可与树脂的某些基团发生键合作用,从而大大改善了材料的热稳定性和化学稳定性。

纳米Al₂O₃具有耐高温稳定性。

在某些实施方案中，石墨烯的粒径为10至30nm。

在某些实施方案中，石墨烯的粒径为15nm。

在某些实施方案中，纳米SiO₂的粒径为10至30nm。

在某些实施方案中，纳米SiO₂的粒径为15nm。

在某些实施方案中，纳米Al₂O₃的粒径为10至30nm。

在某些实施方案中，纳米Al₂O₃的粒径为15nm。

在某些实施方案中，有机溶剂选自异丙醇、乙醇、甲醇或其混合物，优选为异丙醇。

在某些实施方案中，其中按重量份数计，第二混合物由15至30份纳米金属粉、20至30份有机酸，30至50份去离子水、5至10份偶联剂制成。

在某些实施方案中，将石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂通过超声波粉碎机进行分散。

在某些实施方案中，分散时间为30至60min，确保石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃能够在有机溶剂中分散均匀。

其中，通过添加纳米SiO₂，增加不粘纳米层微观结构的粗糙度，使不粘纳米层表面具有乳突状的微观结构，粗糙度因子增大，使涂膜的表面能降低，提高不粘纳米层的疏水性。

在某些实施方案中，还包括分散后的搅拌步骤。

在某些实施方案中，搅拌时间为4至10h。

在某些实施方案中，搅拌时间为6至8h。

在某些实施方案中，搅拌温度为80至150℃。

在某些实施方案中，搅拌温度为100至120℃。

在某些实施方案中，纳米金属粉选自纳米铜、纳米银。

在某些实施方案中，纳米铜的粒径为5至15nm。

在某些实施方案中，纳米铜的粒径为10nm。

在某些实施方案中，纳米银的粒径为5至15nm。

在某些实施方案中，纳米银粉粒径为10nm。

在某些实施方案中，有机酸选自乙酸、水杨酸、柠檬酸或其混合物。

在某些实施方案中，偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸偶联剂、锆类偶联剂或其混合物。

在某些实施方案中，将纳米金属粉与有机酸混合得到第三混合物。

在某些实施方案中，纳米金属粉与有机酸混合时间为6至12h。

在某些实施方案中，将第三混合物与去离子水、偶联剂于80至100℃下回流，得到所述第二混合物。

其中，纳米金属粉浆料具有极强的附着力和耐酸、耐碱、抗氧化等耐化学药品性能；并具有抗磨、抗刮碰等优异的抗外界物理冲击性能。

在某些实施方案中，回流时间为2至5h。

在某些实施方案中，将第一混合物与第二混合物通过混料锅混合。

在某些实施方案中，混料锅的转速为1000至3000rpm。

在某些实施方案中，混料锅的转速为1500至2000rpm。

在某些实施方案中，第一混合物与第二混合物混合时间为30min至60min。

在某些实施方案中，第一混合物与第二混合物混合时间为40至50min。

另一方面，本公开涉及基于上述不粘纳米剂的制备方法制备的不粘纳米剂，具备高硬度、耐酸碱性、耐热、疏水、抗污的功能。

实施例1

本实施例公开了不粘纳米剂，该不粘纳米剂由第一混合物与第二混合物混合制得，第一混合物由以下组分按重量份数制备而成：0.01份石墨烯、40份纳米SiO₂、5份纳米Al₂O₃、10份有机溶剂；第二混合物由以下组分按重量份数制备而成：15份纳米金属粉、20份有机酸，30份去离子水、5份偶联剂。

制备方法：

(1)将石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂通过超声波粉碎机分散30min；

将分散后的溶液在100℃下搅拌4h，制备得到第一混合物。

(2)将纳米金属粉与有机酸混合6h，得到第三混合物；

将制备好的第三混合物与去离子水、偶联剂于80℃下回流2h，制备得到第二混合物。

(3)将第一混合物与第二混合物在1500rpm高速下搅拌40min制备得到所述不粘纳米剂。

实施例2

本实施例公开了不粘纳米剂，该不粘纳米剂由第一混合物与第二混合物混合制得，第一混合物由以下组分按重量份数制备而成：1.5份石墨烯、50份纳米SiO₂、10份纳米Al₂O₃、17.5份有机溶剂；第二混合物由以下组分按重量份数制备而成：22.5份纳米金属粉、25份有机酸，40份去离子水、7.5份偶联剂。

制备方法：

(1)将石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂通过超声波粉碎机分散45min；

将分散后的溶液在110℃下搅拌7h，制备得到第一混合物。

(2)将纳米金属粉与有机酸混合9h，得到第三混合物；

将制备好的第三混合物与去离子水、偶联剂于90℃下回流3.5h，制备得到第二混合物。

(3)将第一混合物与第二混合物在1750rpm高速下搅拌45min制备得到所述不粘纳米剂。

实施例3

本实施例公开了不粘纳米剂，该不粘纳米剂由第一混合物与第二混合物混合制得，第一混合物由以下组分按重量份数制备而成：3份石墨烯、60份纳米SiO₂、15份纳米Al₂O₃、25份有机溶剂；第二混合物由以下组分按重量份数制备而成：30份纳米金属粉、30份有机酸，50份去离子水、10份偶联剂。

制备方法：

(1)将石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂通过超声波粉碎机分散60min；

将分散后的溶液在120℃下搅拌8h，制备得到第一混合物。

(2)将纳米金属粉与有机酸混合12h，得到第三混合物；

将制备好的第三混合物与去离子水、偶联剂于100℃下回流5h，制备得到第二混合物。

(3)将第一混合物与第二混合物在2000rpm高速下搅拌50min制备得到所述不粘纳米剂。

将实施例1至3制得的不粘纳米剂喷涂在不锈钢锅上，待烘干后得到不同的不粘纳米层，并对其硬度、不粘性、耐火性、疏水性、耐磨性进行测试。

(1)用莫氏硬度计评估硬度：对所述不粘纳米层施加代表莫氏硬度等级水平的不同硬度的材料的作用。所述不粘纳米层的硬度以不能刻画该不粘纳米层的材料的最大值来表示。

(2)根据标准NF D 21-511借助碳化乳汁检验评估不粘性。

(3)耐火性：对所述不粘纳米层施加Bunsen燃烧器火焰的作用持续30s。

(4)疏水性：用GBX的Digidrop型测角器检测所述不粘纳米层上的水滴的接触角。

(5)耐磨性：用标准ASTM D968-93提供的方法，落砂检测耐磨性。

通过将实施例1至3的不粘纳米剂喷涂在不锈钢锅上，得到的不同不粘纳米层的性质如表1所示。

表1

综上所述：本发明的不粘纳米层显示出介于3到4Mohs的硬度、优良的不粘性(在碳化乳汁检验中为100个点：标准NF D 21-511)和良好的耐火性(与Bunsen燃烧器的火焰直接接触30秒后外观不发生变化)。良好的疏水性(水滴在不粘纳米层上的接触角分别为90°、108°、100°)和耐磨性(落砂体积分别为14.6L、18.9L、16.8L)。因此，本发明制备出的不粘纳米剂具有硬度大、耐火性、疏水性、耐磨性好的优点。

从前述中可以理解，尽管为了示例性说明的目的描述了本公开的具体实施方案，但是在不偏离本公开的精神和范围的条件下，本领域所述技术人员可以作出各种变形或改进、这些变形或修改都应落入本公开所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.不粘纳米剂的制备方法，其包括：

第一混合物，所述第一混合物由石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂制得；

第二混合物，所述第二混合物由纳米金属粉、有机酸、去离子水、偶联剂制得；以及

将所述第一混合物与所述第二混合物混合。

2.如权利要求1所述的不粘纳米剂的制备方法，其中按重量份数计，所述第一混合物由0.01至3份聚石墨烯、40至60份纳米SiO₂、5至15份纳米Al₂O₃、10至25份有机溶剂制成。

3.如权利要求1或2所述的不粘纳米剂的制备方法，其中所述有机溶剂选自异丙醇、乙醇、甲醇或其混合物，优选为异丙醇。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的不粘纳米剂的制备方法，其中按重量份数计，所述第二混合物由15至30份纳米金属粉、20至30份有机酸，30至50份去离子水、5至10份偶联剂制成。

5.如权利要求4所述的不粘纳米剂的制备方法，其中：

将石墨烯、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、有机溶剂通过超声波粉碎机进行分散，优选分散时间为30至60min。

6.如权利要求4或5所述的不粘纳米剂的制备方法，其还包括分散后的搅拌步骤，优选搅拌时间为4至10h，更优选搅拌时间为6至8h；优选搅拌温度为80至150℃，更优选搅拌温度为100至120℃。

7.如权利要求4至6中任一权利要求所述的不粘纳米剂的制备方法，其中：所述纳米金属粉选自纳米铜、纳米银；所述有机酸选自乙酸、水杨酸、柠檬酸或其混合物；所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸偶联剂、锆类偶联剂或其混合物。

8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的不粘纳米剂的制备方法，其中：

将纳米金属粉与有机酸混合，优选混合时间为6至12h，得到所述第三混合物；以及

将所述第三混合物与去离子水、偶联剂于80至100℃下回流，优选回流时间为2至5h，得到所述第二混合物。

9.如权利要求8所述的不粘纳米剂的制备方法，其中：

将所述第一混合物与所述第二混合物通过混料锅混合，优选混料锅的转速为1000至3000rpm，更优选为1500至2000rpm；优选混合时间为30min至60min，更优选为40至50min。

10.基于权利要求1至9中任一权利要求所述的不粘纳米剂的制备方法制备的不粘纳米剂。