CN111299109A - 制备板材的方法以及板材 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了制备板材的方法以及板材。该板材包括：基体；弹性体层，所述弹性体层设置在所述基体的表面上；以及双疏涂层，所述双疏涂层设置在所述弹性体层远离所述双疏涂层的一侧。该板材具有涂层与基体之间结合力强、耐刮擦等优点的至少之一。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地，涉及制备板材的方法以及板材，更具体地，涉及具有双疏表面的板材及其制备方法。
背景技术
近年来，基于“荷叶效应”的超双疏界面研究发展迅速。超双疏界面对水性液体、油性液体的接触角均达到150°以上，滚动角10°以下，在防水、防结冰、降低阻力、防污等方面均具有较为广泛的应用。尤其在通用塑料和工程塑料材料的应用领域，许多聚合物材料表面需要特殊的防护性能，比如水下芯片防挂液、电缆防结冰、管道流体降阻等。
然而，目前具有双疏(疏水并疏油)界面的板材及其制备方法，仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的以下发现而完成的：
目前，尽管关于超双疏表面的研究报告很多，但在实际应用中还存在很多问题，导致无法实现工程化应用。发明人发现，导致上述问题的主要原因，并不是目前双疏表面的疏水疏油性能不足以满足实际应用的需求，而是目前具有双疏涂层的板材，在实际应用中表现出涂层和基体之间的低附着力问题、不耐刮擦问题、长期使用性能问题等等，而造成的。具体地，超双疏表面的制备通常至少包括表面微纳米结构的构造和低表面能物质的修饰这两个步骤，而无论是哪一种策略，均可以获得效果较好的疏水以及疏油表面。但不论是微纳米结构还是低表面能物质的修饰层，均存在着与基体材料附着力较差、涂层自身粘弹性差的问题，因此在实际应用中，往往表现出涂层容易剥离脱落、外力作用涂层容易出现裂纹、耐刮擦性能差等问题。因此，如能够提供一种可以与基体结合牢固、且抗刮擦性能良好的、具有双疏功能的板材，将在很大程度上缓解甚至解决上述问题。
有鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种板材。根据本发明的实施例，该板材包括：基体；弹性体层，所述弹性体层设置在所述基体的表面上；以及双疏涂层，所述双疏涂层设置在所述弹性体层远离所述基体的一侧。该板材具有涂层与基体之间结合力强、耐刮擦等优点的至少之一。
根据本发明的实施例，所述弹性体层的剥离强度为10-40N/cm，断裂伸长率为100-600％。由此，可以较好的提高涂层的粘弹性，改善板材的耐刮擦性能。
根据本发明的实施例，形成所述弹性体层的材料包括聚氨酯以及聚氯乙烯的至少之一。由此，可以较好的提高涂层的粘弹性，进一步改善板材的耐刮擦性能。
根据本发明的实施例，所述双疏涂层包括：形成所述弹性体层的材料，以及双疏微纳颗粒。由此，可以提高双疏涂层以及弹性体层之间的兼容性能，防止两层材料在受到外力作用时发生脱离剥落。
根据本发明的实施例，形成所述弹性体层的材料包括聚氨酯，所述双疏涂层是由含有聚氨酯以及氟改性的双疏微纳颗粒的混合物形成的，所述双疏微纳颗粒的粒径为10-100nm。由此，可以进一步提升该板材的性能。
根据本发明的实施例，所述基体设置所述弹性体层一侧的表面预先经过表面粗糙化处理，或者所述基体以及所述弹性体层之间具有底涂剂层，其中，形成所述底涂剂层的材料包括硅氧烷、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、四氯化碳、马来酸酐、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、氯乙烯醋酸乙烯以及丙烯酸中的至少之一。由此，可以进一步提高涂层以及基体之间结合的牢固程度。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备板材的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：提供基体；在所述基体表面形成弹性体层；在所述弹性体层远离所述基体的一侧，形成双疏涂层。该方法可以简便的获得具有双疏表面的板材，且制备的板材具有涂层与基体之间结合力强、耐刮擦等优点的至少之一。
根据本发明的实施例，所述弹性体层是通过喷涂弹性体层溶液而形成的，所述弹性体层溶液中含有聚氨酯以及聚氯乙烯中的至少之一。由此，可以简便的形成弹性体层。
根据本发明的实施例，所述双疏涂层是通过喷涂形成的，形成所述双疏涂层的喷涂溶液中包括形成所述弹性体层的材料，以及双疏微纳颗粒溶液，所述双疏微纳颗粒的粒径为10-100nm，所述喷涂溶液中形成所述弹性体层的材料的含量为1-10wt％，双疏微纳颗粒溶液的含量为90-99wt％。由此，可以简便的形成双疏涂层。
根据本发明的实施例，在形成所述弹性体层之前，所述基体预先经过表面粗糙化处理，所述表面粗糙化处理是通过在所述基体表面进行喷涂、擦拭、或者浸泡底涂剂而实现的，所述底涂剂包括硅氧烷、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、四氯化碳、马来酸酐、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、氯乙烯醋酸乙烯以及丙烯酸中的至少之一；或者，所述表面粗糙化处理包括对所述基体进行打磨处理。由此，可以进一步提高弹性体层以及双疏涂层和基体之间的结合力。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的板材的结构示意图；
图2显示了根据本发明另一个实施例的板材的结构示意图；
图3显示了根据本发明一个实施例的制备板材的方法的流程示意图；
图4显示了根据本发明另一个实施例的制备板材的方法的流程示意图；以及
图5显示了根据本发明一个实施例的板材的水接触角测试结果图。
附图标记：
100：基体；200：弹性体层；300：双疏涂层；400：底涂剂层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种板材。根据本发明的实施例，参考图1，该板材包括：基体100、弹性体层200以及双疏涂层300。根据本发明的具体实施例，弹性体层200设置在基体100的表面上，双疏涂层300设置在弹性体层200远离基体100的的一侧。该板材具有涂层与基体之间结合力强、耐刮擦等优点的至少之一。
为了方便理解，下面首先对该板材具有耐刮擦等优点的原理进行简单说明：本发明所提出的板材，由于在基体以及具有疏水疏油功能的涂层(即双疏涂层300)之间设置了具有一定粘弹性的弹性体层200，因此该板材在受到外力(如刮擦、碰撞、尖物戳刺等)时，可依靠弹性体层200缓解外力，从而可以缓解由于外力导致双疏涂层发生破损、剥离而导致的涂层失效。此外，由于弹性体层200的存在，还可以通过对弹性体层200以及双疏涂层300的材料进行选择，使得三层结构之间的相容性更好，从而可以在不影响板材自身性能的前提下，获得涂层与基体结合牢固的板材。
下面根据本发明的具体实施例，对该板材的各个部分进行详细说明：
根据本发明的实施例，构成基体100的材料不受特别限制，例如，可以为基体100可以由诸如玻璃、Si等无机材料形成，或者，基体100也可以为PMMA、ABS等有机高分子材料形成。
根据本发明的实施例，构成弹性体层200的材料也不受特别限制，只要具有一定粘弹性，可起到前述的对外力的缓冲作用即可。换句话说，根据本发明实施例的弹性体层200可以在受到外力时发生一定程度的形变。根据本发明的具体实施例，弹性体层300的剥离强度可以为10-40N/cm，断裂伸长率可以为100-600％。由此，可以较好的提高涂层的粘弹性，改善板材的耐刮擦性能。具体的，形成弹性体层200的材料可以包括聚氨酯以及聚氯乙烯的至少之一。由此，可以较好的提高涂层的粘弹性，进一步改善板材的耐刮擦性能。
根据本发明的实施例，形成双疏涂层300的具体材料不受特别限制，只要具有疏水疏油的双疏性能即可。根据本发明的实施例，该双疏涂层300中可以包括具有疏水以及疏油性能的双疏微纳颗粒。根据本发明的实施例，上述微纳颗粒的具体类型不受特别限制，本领域技术人员可以选择熟悉的具有疏水疏油性能的微米、纳米颗粒。例如，双疏微纳颗粒可以包括氟改性的TiO2、氟改性的SiO2、氟改性的ZrO2等，双疏微纳颗粒的粒径可以为10-100nm。
为了提高双疏涂层300和弹性体层200之间的界面相容性能，双疏涂层300可以包括形成弹性体层200的材料，以及上述双疏微纳颗粒。根据本发明的具体实施例，弹性体层200可以由聚氨酯形成，例如可以由单组份聚氨酯或是双组份聚氨酯构成，形成双疏涂层300的材料可以包括聚氨酯，以及上述双疏微纳颗粒。由此，可以进一步提升该板材的性能。
根据本发明的实施例，为了提高弹性体层以及集体100之间的结合，在基体100上设置弹性体层200之前，可预先对基体100上需要设置弹性体层200的表面进行表面粗糙化处理。表面粗糙化处理可以是通过对表面进行打磨，或是设置具有一定粘度的涂层而实现的。根据本发明的一些具体实施例，参考图2，可通过在基体100的表面设置底涂剂层400来实现基体100的表面粗糙化处理。形成底涂剂层的材料包括硅氧烷、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、四氯化碳、马来酸酐、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、氯乙烯醋酸乙烯、丙烯酸或其混合物。即：形成底涂剂层的材料可包括上述材料中的至少之一，如包括上述材料中的一种、两种、三种、三种以上甚至全部。由此，可以进一步提高涂层以及基体之间结合的牢固程度。根据本发明一些具体的实施例，构成上述底涂剂层400的材料可以包括3M 94primer表面处理剂、食人鱼表面清洗剂、Bostik ISR Primer G底涂剂、增粘底涂剂等。由上述材料形成的底涂剂层400可以和基体100之间具有较强的结合力，且形成的底涂剂层400自身具有一定的粗糙度以及粘度，可以更好的和弹性体层200结合，从而可以进一步防止该板材在受到外力时，基体和其他涂层(例如双疏涂层300和弹性体层200)之间发生剥离脱落。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备板材的方法。根据本发明的实施例，该方法制备的板材，可以为前面描述的板材。具体的，参考图3，该方法包括：
S100：提供基体
根据本发明的实施例，在该步骤中，首先提供基体。关于基体的材料，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。根据本发明的实施例，在进行后续步骤之前，还可以对基体表面进行清洗、除尘、去油污等处理。
据本发明的实施例，为了进一步提高后续形成的弹性体层与基体之间的结合，在进行后续步骤之前，即在形成弹性体层之前，可以进一步包括以下步骤：
S10：对基体进行表面粗糙化处理
根据本发明的实施例，在该步骤中，预先对基体进行表面粗糙化处理。根据本发明的具体实施例，基体的表面粗糙化处理可以是通过诸如打磨、刻蚀等物理或化学处理而实现的，或者，也可以通过在基体上形成底涂剂层而实现。
根据本发明的实施例，底涂剂层可以是通过在基体表面进行喷涂、擦拭、或者浸泡底涂剂而实现的，所述底涂剂包括硅氧烷、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、四氯化碳、马来酸酐、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、氯乙烯醋酸乙烯、丙烯酸或其混合物；更具体地，底涂剂可以采用包括但不限于3M 94primer表面处理剂、食人鱼表面清洗剂、Bostik ISRPrimer G底涂剂、增粘底涂剂等。如前所述，底涂剂层自身与基体相比，具有较高的表面粗糙度，且具有一定的粘度，因此可以在不影响基体表面平整度的前提下，提升基体以及弹性体层之间的结合程度。
根据本发明的实施例，形成底涂剂层的具体方式不受特别限制，本领域技术人员可以根据底涂剂的具体化学组成进行设计。例如，根据本发明的一些具体实施例，可以采用喷涂的方式形成底涂剂层。具体地，可将用于形成底涂剂层的材料配置成溶液，用喷枪将溶液均匀喷涂于基底上，然后在一定温度下固化。更具体的，上述固化的时间可以为0.1-48h。固化时环境的温度可为50-100℃。
S200：在所述基体表面形成弹性体层
根据本发明的实施例，在该步骤中，在基体表面形成弹性体层。形成弹性体层的材料可和前面描述的板材中弹性体层的组分相同，在此不再赘述。由此，可利用弹性体层提高该板材的耐刮擦性能。
根据本发明的实施例，弹性体层可以是通过喷涂弹性体层溶液而形成的。即：可通过喷涂含有聚氨酯以及聚氯乙烯中的至少之一的溶液，经过烘干处理而形成弹性体层。类似地，喷涂的溶液可为单组份聚氨酯的溶液，也可以为双组份聚氨酯溶液。由此，可以简便的形成弹性体层。喷涂的喷涂压力可以为0.5-1MPa，喷涂后可以在加热的条件下进行烘烤干燥。例如，可在加热40-95摄氏度下，干燥0.2-4小时。
S300：在弹性体层远离基体的一侧，形成双疏涂层
根据本发明的实施例，在弹性体层远离基体的一侧，形成双疏涂层。由此简便的获得具有双疏表面的板材，且制备的板材具有涂层与基体之间结合力强、耐刮擦等优点的至少之一。
根据本发明的实施例，该双疏涂层可以是通过喷涂形成的。为了提高形成的双疏涂层和下方弹性体层之间界面的兼容性，喷涂的溶液(或称为混合物)中，可包括形成弹性体层的材料，以及双疏微纳颗粒溶液。关于双疏微纳颗粒的具体种类前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。用于形成双疏微纳颗粒溶液的溶剂不受特别限制，只要可以较好的分散双疏微纳颗粒，并与形成弹性体层的材料(如前述的聚氨酯或聚氯乙烯)具有一定的兼容性，可形成利于喷涂的混合物即可。
根据本发明的实施例，采用的双疏微纳颗粒的粒径可以为10-100nm，喷涂溶液中形成弹性体层的材料的含量为1-10wt％，双疏微纳颗粒溶液的含量可以为90-99wt％。由此，可以简便的形成双疏涂层。类似地，在利用喷涂形成双疏涂层时，也可以在一定的喷涂压力下进行，后续通过加热烘干的处理，形成具有疏水疏油性能的双疏涂层。具体的，喷涂压力可以为0.4-1MPa，烘烤温度可以为50-95摄氏度，时间可以为15-50小时。
下面通过具体的实施例对本发明进行说明，本领域技术人员能够理解的是，下面的具体的实施例仅仅是为了说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围。另外，在下面的实施例中，未对具体的处理条件和处理方法进行明确描述，则可以采用本领域中公知的条件和方法进行处理。
实施例1：
(1)选择PMMA片材，在片材表面喷涂一层3M94primer溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中100℃烘烤1h；
(2)取(1)处理的片材，在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中80℃烘烤2h；
(3)取(2)处理的片材，在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯与氟改性ZrO2纳米粒子溶液的共混物，双组份聚氨酯与纳米溶液的质量比例为1:99。喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中90℃烘烤48h。
实施例2：
(1)选择PEEK片材，在片材表面喷涂一层Bostik ISR Primer G底涂剂溶液，喷涂压力0.4MPa，置于烘箱中70℃烘烤1h；
(2)取(1)处理的片材，在片材表面喷涂一层单组份聚氨酯溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中60℃烘烤2h；
(3)取(2)处理的片材，在片材表面喷涂一层单组份聚氨酯与氟改性TiO2纳米粒子溶液的共混物，单组份聚氨酯与纳米溶液的质量比例为9:91。喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中70℃烘烤48h。
实施例3：
(1)选择Si基片，在食人鱼溶液中浸泡1h，然后取出置于烘箱中50℃烘烤1h；
(2)取(1)处理的片材，在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中90℃烘烤2h；
(3)取(2)处理的片材，在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯与氟改性SiO2纳米粒子溶液的共混物，双组份聚氨酯与纳米溶液的质量比例为9:90。喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中100℃烘烤48h。
实施例4：
(1)选择ABS基片，在片材表面喷涂一层Bostik ISR Primer G底涂剂溶液，喷涂压力0.4MPa，置于烘箱中70℃烘烤1h；
(2)取(1)处理的片材，在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中90℃烘烤2h；
(3)取(2)处理的片材，在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯与氟改性SiO2纳米粒子溶液的共混物，双组份聚氨酯与纳米溶液的质量比例为9:90。喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中100℃烘烤48h。
对比例1：
选择ABS基片，在片材表面喷涂一层Bostik ISR Primer G底涂剂溶液，喷涂压力0.4MPa，置于烘箱中70℃烘烤1h；
在片材表面喷涂氟改性SiO2纳米粒子溶液。喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中100℃烘烤48h。
对比例2：
选择ABS基片，在片材表面喷涂一层3M94primer底涂剂溶液，喷涂压力0.4MPa，置于烘箱中70℃烘烤1h；
在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中90℃烘烤2h；
在片材表面喷涂一层氟改性SiO2纳米粒子溶液。喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中100℃烘烤48h。
对比例3：
选择PMMA基片，在片材表面喷涂一层3M94primer底涂剂溶液，喷涂压力0.4MPa，置于烘箱中70℃烘烤1h；
在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中90℃烘烤2h。
对比例4：
选择PMMA片材，在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯溶液，喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中80℃烘烤2h；
在片材表面喷涂一层双组份聚氨酯与氟改性ZrO2纳米粒子溶液的共混物，双组份聚氨酯与纳米溶液的质量比例为1:99。喷涂压力0.6MPa，置于烘箱中90℃烘烤48h。
下面对上述实施例以及对比例制备的板材(片材)的双疏性能以及力学性能进行测试。具体的，通过检测板材的水接触角(测试疏水性)以及油性溶液的接触角(测试疏油性能)，以及经过刮擦后(CVTC 54115-2015)的水接触角(检测涂层经过刮擦是否发生破损失效)以及牢度测试(ASTM-D3359)，对上述实施例以及对比例制备的板材的性能进行检测。性能检测结果如下表所示：
表1.性能测试结果
由上表可知，全部实施例均具有较好的双疏性能，水接触角以及十六烷接触角均较大，能够满足双疏材料的要求。以实施例4制备的板材为例，其水接触角可达到162度，参考图5，具有较好的疏水性。而经过耐刮擦实验后，实施例1-4均保持了130度以上的水接触角，即可以判定涂层经过刮擦后没有发生失效，且牢度测试均结果均显示了较高的牢度测试等级，可判定出根据本发明实施例的板材的性能优于对比例的测试结果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种板材，其特征在于，包括：
基体；
弹性体层，所述弹性体层设置在所述基体的表面上；以及
双疏涂层，所述双疏涂层设置在所述弹性体层远离所述基体的一侧。
2.根据权利要求1所述的板材，其特征在于，所述弹性体层的剥离强度为10-40N/cm，断裂伸长率为100-600％。
3.根据权利要求1所述的板材，其特征在于，形成所述弹性体层的材料包括聚氨酯以及聚氯乙烯的至少之一。
4.根据权利要求1所述的板材，其特征在于，所述双疏涂层包括：形成所述弹性体层的材料，以及双疏微纳颗粒。
5.根据权利要求1所述的板材，其特征在于，形成所述弹性体层的材料包括聚氨酯，所述双疏涂层是由含有聚氨酯以及氟改性的双疏微纳颗粒的混合物形成的，所述双疏微纳颗粒的粒径为10-100nm。
6.根据权利要求1所述的板材，其特征在于，所述基体设置所述弹性体层一侧的表面预先经过表面粗糙化处理，
或者所述基体以及所述弹性体层之间具有底涂剂层，其中，形成所述底涂剂层的材料包括硅氧烷、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、四氯化碳、马来酸酐、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、氯乙烯醋酸乙烯以及丙烯酸的至少之一。
7.一种制备板材的方法，其特征在于，包括：
提供基体；
在所述基体表面形成弹性体层；
在所述弹性体层远离所述基体的一侧，形成双疏涂层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述弹性体层是通过喷涂弹性体层溶液而形成的，
所述弹性体层溶液中含有聚氨酯以及聚氯乙烯中的至少之一。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述双疏涂层是通过喷涂形成的，形成所述双疏涂层的喷涂溶液中包括形成所述弹性体层的材料，以及双疏微纳颗粒溶液，所述双疏微纳颗粒的粒径为10-100nm，所述喷涂溶液中形成所述弹性体层的材料的含量为1-10wt％，双疏微纳颗粒溶液的含量为90-99wt％。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在形成所述弹性体层之前，所述基体预先经过表面粗糙化处理，
所述表面粗糙化处理是通过在所述基体表面进行喷涂、擦拭、或者浸泡底涂剂而实现的，所述底涂剂包括硅氧烷、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、四氯化碳、马来酸酐、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、氯乙烯醋酸乙烯以及丙烯酸的至少之一；
或者，所述表面粗糙化处理包括对所述基体进行打磨处理。
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