CN111574861A - 一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料，其原料以无毒的疏水二氧化硅为主，醇类溶剂和少量的成膜剂为辅，避免了传统疏水材料含有的氟化物等有毒有害成分，成本低廉，对环境友好。与传统超疏水涂料涂层相比，本发明提供的一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的最大优势在于成膜温度范围广且成膜时间短，可简单、高效地实现多种材料表面上超疏水涂层的应用，具有广泛的实用性和市场价值。

Description

一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及疏水材料技术领域，具体涉及一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料及其制备方法和应用。
背景技术
超疏水材料指水与表面稳定接触角大于150°以及滚动角小于10°的材料，利用水滴在超疏水材料表面滚落时可带走污染物来实现防水、防污、防腐及自清洁等功能。这些优异的特性使得超疏水材料在建筑业、石油化工、管道运输、医疗卫生、国防军事领域具有广阔的应用价值。
超疏水材料具有荷花自清洁的“荷叶效应”，需满足的条件是：其一材料表面具有很低的表面能，其二在材料表面构筑微-纳米级的粗糙的双重结构。目前，这种双重结构的构筑已经可以通过光刻蚀法、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、逐层沉积法等方法轻易实现，但是，这些大多数技术价格昂贵、速度慢或需要特殊设备，这阻碍了大规模工业生产。
据文献报道，以二氧化硅纳米粒子为原料，丙酮作为溶剂，硅聚合物为成膜剂，采用喷涂法制备了超疏水材料，但是涂层样品需在120℃下固化1小时，然后在室温下固化24小时，以保障材料良好的疏水性能。(Elzaabalawy,Assem,Pieter Verberne,and ShakerA.Meguid.Multifunctional Silica–Silicone Nanocomposite with RegenerativeSuperhydrophobic Capabilities.Acs Applied Materials&Interfaces,11,45(2019),42827-42837)但是，120℃高温固化表明其需要较高的成膜温度，限制其工业化生产和实际环境中的应用。
专利CN109096803A公开了一种透明超疏水纳米功能液的制备方法及应用，工艺简单，环境友好，成本低廉，但是正硅酸乙酯在碱性条件下水解陈化时间需要1～7天，整个制备时间过于冗长。
中国专利CN108299827A公开了一种耐用仿生超疏水膜的制备方法，将SiO2溶液浇筑到基底材，用聚二甲基硅氧烷PDMS和固化剂反应固化形成耐用的仿生超疏水膜，其制备方法简单易行，周期较短，但仍需70～90℃固化，不利于工业化生产。
此外还有其他文献报道了环氧树脂、硅酮、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和氟丙烯酸共聚物等材料作为成膜剂，但普遍存在成膜温度高、成膜时间长、成本高昂的问题，且引入的部分成膜剂的毒性较大，其对环境不利。这些方法制备复杂、成本高昂和实验条件苛刻，如要求较高的成膜温度或较长的成膜时间，限制了其产品的工业化生产和在实际环境中的应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种常温下快速成膜的超疏水涂料，无需加热，可以在常温条件下快速成膜，以及成本低廉；本发明的目的之二在于提供一种常温下快速成膜的超疏水涂料的制备方法，工艺简单，成膜时间短和成膜温度范围广，具有广泛的实用性和市场价值；本发明的目的之三提供一种常温下快速成膜的超疏水涂料的应用，易于操作使用，可采用涂覆法、喷涂法、浸渍法获得具有较强附着力的超疏水涂层，使用范围广，可应用于玻璃、木材、钢板、外墙和铁器等表面。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料，其特征在于，由质量比为1-2：0.5-5：10-50的疏水二氧化硅、成膜剂和醇类溶剂组成；其中，成膜剂包括有机硅丙烯酸、乙二醇、丙二醇丙醚、丙二醇丁醚、十二碳醇酯和正丁酯中的一种或几种；醇类溶剂包括甲醇、乙醇和乙二醇中的一种或几种。
进一步，所述疏水二氧化硅的浓度为100-200mg/mL。
一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的原料以无毒的疏水二氧化硅为主，醇类溶剂和少量的成膜剂为辅，避免了传统疏水材料含有的氟化物等有毒有害成分，成本低廉，对环境友好。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法，包括以下步骤：
1)在醇类溶剂中加入疏水二氧化硅粉末，搅拌，得到疏水二氧化硅分散液；
2)向步骤1)所得的疏水二氧化硅分散液中加入成膜剂，搅拌，得到常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料。
进一步，步骤1)和步骤2)中，搅拌的方法为机械搅拌和/或超声分散。
再进一步，步骤2)中，常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的成膜温度为5-100℃，成膜时间为30s-120min。
与传统超疏水涂料涂层相比，本发明提供的一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的最大优势在于成膜温度范围广，在5～100℃范围下都可快速成膜，且成膜时间短，成膜时间为30s-120min，可简单、高效地实现多种材料表面上超疏水涂层的应用，具有广泛的实用性和市场价值。
常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的应用，所述常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的使用范围为玻璃、木材、钢板、外墙、纸张和铁器。所述常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的使用方法包括涂覆法、喷涂法和浸渍法中的至少一种。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的原料以无毒的疏水二氧化硅为主，醇类溶剂和少量的成膜剂为辅，成本低廉，对环境友好。
(2)与传统的超疏水涂料涂层相比，本发明提供的一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的最大优势在于成膜温度范围广且成膜时间短，可简单、高效地实现多种材料表面上超疏水涂层的应用，具有广泛的实用性和市场价值。
(3)一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备工艺简单，易于操作使用，可采用涂覆法、喷涂法、浸渍法获得具有较强附着力的超疏水涂层，使用范围广，可应用于玻璃、木材、钢板、外墙和铁器的表面。
附图说明
图1为实施例1中水滴在制备的超疏水SiO2涂料涂覆玻璃后的实物图；
图2为实施例1中水滴静态接触角效果图；
图3为实施例2中水滴在制备的超疏水SiO2涂料喷涂围蔽板后的实物图；
图4为实施例2中水滴静态接触角效果图；
图5为实施例3中水滴在制备的超疏水SiO2涂料浸泡滤纸后的实物图；
图6为实施例3中水滴静态接触角效果图。
具体实施方式
下面结合附图并通过6个具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，这些实例并不是对本发明内容的限定。本领域内的技术人员应理解，对本发明内容所做的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。
实施例1
一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)疏水二氧化硅分散液的制备：在50mL乙醇溶剂中加入疏水二氧化硅粉末10g，搅拌、超声分散5min，制得疏水二氧化硅分散液浓度为200mg/mL。
(2)常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备：再向上述疏水二氧化硅分散液中加入3g成膜剂，搅拌、超声分散5min，得到常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料。
将所得常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料应用于玻璃表面，包括以下步骤：
对玻璃进行涂覆：先将常规市售的玻璃(10cm×5cm×1cm)用洗洁精清洗干净，擦干后平铺桌面，采用涂覆法在玻璃表面均匀涂覆上述超疏水SiO2涂料，在室温下快速成膜，成膜时间约为5min。
所获得的超疏水玻璃表面对水的静态接触角为153°，水滴在涂膜后的玻璃上的实物图见图1，水滴静态接触角效果见图2。
实施例2
一种常温下快速成膜的超疏水SiO2的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)疏水二氧化硅分散液的制备：在20mL甲醇和乙醇混合溶剂中加入超疏水二氧化硅粉末2g，搅拌、超声分散5min，制得疏水二氧化硅分散液浓度为100mg/mL。
(2)常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备：再向上述疏水二氧化硅分散液中加入1.5g成膜剂，搅拌、超声分散5min，得到常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料。
将所得常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料喷涂在围蔽板材表面，包括以下步骤：
对围蔽板材进行涂覆：先将常规的围蔽板材(1m×1m×1cm)用洗洁精清洗干净，擦干后竖立，采用喷涂法在围蔽板材表面均匀喷涂上述超疏水SiO2涂料，在室温下快速成膜，成膜时间约为10min。
所获得的超疏水围蔽板材对水的静态接触角为150°，水滴在涂膜后的围蔽板上的实物图见图5，水滴静态接触角效果见图6。
实施例3
一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)疏水二氧化硅分散液的制备：在20mL甲醇、乙醇和乙二醇混合溶剂中加入超疏水二氧化硅粉末2.2g，搅拌、超声分散5min，制得疏水二氧化硅分散液浓度为110mg/mL。
(2)常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备：再向上述疏水二氧化硅分散液中加入1.3g成膜剂，搅拌、超声分散5min，得到常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料。
将所得常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料应用于纸张表面，包括以下步骤：
对纸张进行浸泡：先将常规的滤纸(直径d＝9cm)浸泡于上述超疏水SiO2涂料，30s后用镊子提拉起来，在室温下快速成膜，成膜时间约为1min。所获得的超疏水纸张对水的静态接触角为152°，水滴在涂膜后的滤纸上的实物图见图5，水滴静态接触角效果见图6。
实施例4
本实施例提供的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法与实施例1相同，区别在于步骤(1)中乙醇添加量为15mL，超疏水二氧化硅粉末为2g。
实施例5
本实施例提供的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法与实施例1相同，区别在于步骤(3)中应用的场景是外墙。
实施例6
本实施例提供的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法与实施例1相同，区别在于步骤(3)中应用的场景是铁器。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料，其特征在于，由质量比为1-2：0.5-5：10-50的疏水二氧化硅、成膜剂和醇类溶剂组成；其中，成膜剂包括有机硅丙烯酸、乙二醇、丙二醇丙醚、丙二醇丁醚、十二碳醇酯和正丁酯中的一种或几种；醇类溶剂包括甲醇、乙醇和乙二醇中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料，其特征在于，所述疏水二氧化硅的浓度为100-200mg/mL。
3.如权利要求1-2任一所述的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在醇类溶剂中加入疏水二氧化硅粉末，搅拌，得到疏水二氧化硅分散液；
2)向步骤1)所得的疏水二氧化硅分散液中加入成膜剂，搅拌，得到常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料。
4.如权利要求3所述的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中，搅拌的方法为机械搅拌和/或超声分散。
5.如权利要求3所述的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的成膜温度为5-100℃，成膜时间为30s-120min。
6.如权利要求1-2任一所述的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的应用，其特征在于，所述常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的使用范围为玻璃、木材、钢板、外墙、纸张和铁器。
7.如权利要求6所述的常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的应用，其特征在于，所述常温下快速成膜的超疏水SiO2涂料的使用方法为涂覆法、喷涂法和浸渍法中的至少一种。
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