CN111592781A - 一种超亲水功能涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种超亲水功能涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超亲水功能涂料及其制备方法和应用。该超亲水功能涂料的制备原料包括硅酸盐、铝化合物、硼化合物、润湿剂和水，该涂料形成的涂层为透明涂层，外观良好，具有优良的自清洁性能和防雾性能，亲水角低至5°，水下疏油角达到160°，具有超亲水以及水下超疏油的特性。可以利用涂料水下超疏油的特性，将其用于海洋设备的防污涂层、油水分离以及体内抗生物黏附材料中。

Description

一种超亲水功能涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能涂料技术领域，具体涉及一种超亲水功能涂料及其制备方法和应用。
背景技术
表面浸润性是固体表面的重要特征之一，通常用接触角来表征液体对固体表面的浸润程度。超亲水一般是指水滴可以完全扩散在材料表面上，使其接触角小于10°。自然界中存在许多超润湿现象，特别是一些动植物的超润湿现象为仿生材料的研究提供了有效的方向。如猪笼草投手叶口缘和轮辋具有超亲水性能，主要原因是其微观表面为粗糙的微织结构，并且带有粘稠状的亲水性液膜。一些水生动物如鲨鱼，其皮肤表面具有超亲水和水下超疏油的特性，表皮的超亲水特性使它们在水中游动时大大降低了水的阻力，从而能在水中快速移动，而水下的超疏油特性可以保持皮肤表面的清洁。
随着社会的发展，技术的进步，人们对生活环境的清洁程度有了更高的要求。如何能够有效的实现环境的自清洁是人们一直关注的问题，使用超亲水涂料是解决该问题的途径之一。超亲水涂料的作用机理之一为：在亲水性物质的表面构造粗糙度，当具有微-纳尺寸粗糙度的亲水性表面与水滴接触时，为了使整个体系处于平衡状态，水滴首先会在固体表面铺展并渗透到这些微-纳米尺寸的粗糙结构中，然后剩余的水在水膜表面完全铺展开。
虽然目前超亲水涂料在防污自洁、抗微生物粘附、防雾等领域展示出了优异的自清洁性能，然而其微纳米结构制备的复杂性和结构的脆弱性会限制了其在自清洁领域的发展。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超亲水功能涂料及其制备方法和应用。
根据本发明第一方面实施例的一种超亲水功能涂料，包括以下质量百分比计的制备原料：
硅酸盐：20～40％，
铝化合物：0.5～5％，
硼化合物：1～10％，
润湿剂：0.01～2.0％，
余量为水。
根据本发明的一些实施方式，包括以下质量百分比计的制备原料：
硅酸盐：20～30％，
铝化合物：0.8～2.0％，
硼化合物：1.0～5.0％，
润湿剂：0.05～0.5％，
余量为水。
根据本发明的一些实施方式，优选包括以下质量百分比计的制备原料：
硅酸盐：25％，
铝化合物：1.0％，
硼化合物：2.0％，
润湿剂：0.1％，
余量为水。
根据本发明的一些实施方式，所述硅酸盐为硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾、硅酸钾钠、硅酸镁、硅酸钙和硅酸铝中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述硅酸盐优选硅酸钠。
根据本发明的一些实施方式，所述铝化合物为铝酸钠、铝酸钾、氯化铝和氧化铝水分散液中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述铝化合物优选氧化铝水分散液。
根据本发明的一些实施方式，所述硼化合物为四硼酸钾、四硼酸钠、硼酸、三氧化二硼和硼酸钠中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述硼化合物优选四硼酸钠。
根据本发明的一些实施方式，所述润湿剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钾、十六烷基溴化铵、烷基酚聚氧乙烯醚和十二烷基二甲基胺乙内酯中的至少一种。
根据本发明第二方面实施例的超亲水功能涂料的制备方法，所述制备方法为：先将所述润湿剂与水混匀，再加入所述硅酸盐、铝化合物和硼化合物混匀即得。
根据本发明第三方面实施例的一种表面具有超亲水涂层的制品，所述制品表面含有上述的超亲水功能涂料形成的超亲水涂层。
根据本发明实施例的超亲水功能涂料，至少具有如下技术效果：
本发明实施例的超亲水功能涂料形成的涂层为透明涂层，外观良好，具有优良的自清洁性能(亲水角小于10°、水下疏油角大于150°)和防雾性能，亲水角低至5°，水下疏油角达到160°，具有超亲水以及水下超疏油的特性。可以利用涂料水下超疏油的特性，将其用于海洋设备的防污涂层、油水分离以及体内抗生物黏附材料中。
本发明实施例的超亲水功能涂料形成的涂层硬度达到9H，具有良好的耐磨性，1500次摩擦循环后亲水角最大为15°，仍然具有良好的亲水性。1500次摩擦循环后疏油角高达140°，仍然具有良好的水性疏油特性。
本发明实施例的超亲水功能涂料耐水性能良好，同时耐油性笔。适合用于各种金属、玻璃、陶瓷的表面处理，尤其适用于厨房、浴室等的墙面和器具，具有保护基材，使基材表面易清洁、耐洗刷，满足人们对生活环境清洁程度的高要求。
发明实施例的超亲水功能涂料的制备原料中：
硅酸盐含有易溶于水的碱金属离子，在水中会解离，硅酸盐的含量对涂料的耐水性具有较大的影响，硅酸盐占涂料的总量优选为20～30％，硅酸盐的含量不宜超过涂料总量的35％，过多会影响涂料的耐水性，使得涂层耐水性变差。
铝化合物为无机材料，具有耐水、耐洗刷、耐污性能，有助于涂料成膜，能提高涂料涂层的耐摩擦性和耐洗刷性。
硼化合物为无机材料，有助于提高涂料的亲水性和耐水性。
润湿剂为涂料提供润湿表面的作用。
硅酸盐和含硼化合物在混合和高温条件下，硅氧网络缩合，含硼化合物形成硼四面体嵌入硅氧网络中，铝化合物均匀分散在整个体系网络形成物理作用力。硅酸盐和含硼化合物都提供亲水性，水下涂层形成一层薄薄的水膜，停供有效的疏油性。
在本发明的实施例中，“超亲水”指亲水角小于10°。
附图说明
图1为涂层A的扫描电镜图。
图2为涂层A的原子力显微镜图。
图3为涂层A的可见光透过率图。
图4为涂层A在水下对各种粘度液态油的疏油程度示意图。
图5为涂层A在水下的粘附力测试示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本例提供了一种超亲水功能涂料，包括以下质量百分比计的制备原料：
硅酸盐：20～40％，铝化合物：0.5～5％，硼化合物：1～10％，润湿剂：0.01～2.0％，余量为水。
其中，硅酸盐为硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾、硅酸钾钠、硅酸镁、硅酸钙和硅酸铝中的至少一种，优选硅酸钠。
铝化合物为铝酸钠、铝酸钾、氯化铝和氧化铝水分散液中的至少一种，优选氧化铝水分散液。
硼化合物为四硼酸钾、四硼酸钠、硼酸、三氧化二硼和硼酸钠中的至少一种，优选四硼酸钠。
润湿剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钾、十六烷基溴化铵、烷基酚聚氧乙烯醚和十二烷基二甲基胺乙内酯中的至少一种。
实施例2
本例提供了超亲水功能涂料的制备方法，具体为：先将润湿剂与水混匀，再加入硅酸盐、铝化合物和硼化合物混匀即得。
实施例3
本例提供了一种表面具有超亲水涂层的制品，该制品表面含有上述的超亲水功能涂料形成的超亲水涂层。
检测例
本例采用实施例2的制备方法，根据实施例1的配比制备了四种超亲水功能涂料A～D，具体配比如表1所示。
表1涂料A～D配比明细
组分名称 A B C D
硅酸钠 25％ 25％ 20％ 35％
氧化铝水分散液 1％ 0％ 1％ 2％
四硼酸钠溶液 2％ 2％ 2％ 2％
十二烷基磺酸钠 0.1％ 0.1％ 0.1％ 0.1％
水 71.9％ 72.9％ 76.9％ 60.9％
将涂料A～D采用浸涂的方式在120mm×150mm的玻璃板上制作涂层。先在低温下(50℃)烘烤10min，再高温(如180℃)烘烤30min后检测涂层性能，结果如表2所示。
表2涂料A～D制得的涂层性能
Figure BDA0002472813620000051
Figure BDA0002472813620000061
从上述性能检测结果可得，涂料A～D形成的涂层外观为透明，自清洁性能合格。其中涂层A的亲水角低至5°，亲水性好，且经过1500次摩擦后亲水角为12°，变化不大，说明涂层具有高耐磨性。涂层B因为不含有氧化铝水分散液而耐水性较差，故氧化铝分散液是涂料体系中必不可少的成分。而涂层D由于硅酸钠含量大于30％，涂层各性能稍差，硅酸钠含量过大会影响涂层的综合性能。
图1为涂层A的扫描电镜图，从图中可以看出在涂层表面具有纳米尺寸的粗糙度，当涂层表面与水滴接触时，为了使整个体系处于平衡状态，水滴首先会在涂层表面铺展并渗透到这些纳米尺寸的粗糙结构中，然后剩余的水在水膜表面完全铺展开，因此涂层具有良好的亲水性能。
图2为涂层A的原子力显微镜图，从图中可以看出涂层微观表面平整，起伏小，利于水膜在涂层表面的铺展，保证了涂层表面稳定的亲水性。
图3为涂层A的可见光透过率图，从图中可以看出可见光的透过率接近100％，说明涂层透明程度高。
图4为涂层A在水下对各种粘度液态油的疏油程度，可以看出涂层A具有良好的水下疏油性能。
图5为涂层A在水下的粘附力测试示意图，所用测试液体为正己烷，说明涂层在水下具有超低的粘附性，可以将其用于海洋设备的防污涂层、油水分离以及体内抗生物黏附材料中。

Claims (8)

1.一种超亲水功能涂料，其特征在于，包括以下质量百分比计的制备原料：
硅酸盐：20～40％，
铝化合物：0.5～5％，
硼化合物：1～10％，
润湿剂：0.01～2.0％，
余量为水。
2.根据权利要求1所述的超亲水功能涂料，其特征在于，包括以下质量百分比计的制备原料：
硅酸盐：20～30％，
铝化合物：0.8～2.0％，
硼化合物：1.0～5.0％，
润湿剂：0.05～0.5％，
余量为水。
3.根据权利要求1或2所述的超亲水功能涂料，其特征在于，所述硅酸盐为硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾、硅酸钾钠、硅酸镁、硅酸钙和硅酸铝中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的超亲水功能涂料，其特征在于，所述铝化合物为铝酸钠、铝酸钾、氯化铝和氧化铝水分散液中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的超亲水功能涂料，其特征在于，所述硼化合物为四硼酸钾、四硼酸钠、硼酸、三氧化二硼和硼酸钠中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的超亲水功能涂料，其特征在于，所述润湿剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钾、十六烷基溴化铵、烷基酚聚氧乙烯醚和十二烷基二甲基胺乙内酯中的至少一种。
7.一种制备如权利要求1～6任一项所述的超亲水功能涂料的方法，其特征在于，先将所述润湿剂与水混匀，再加入所述硅酸盐、铝化合物和硼化合物混匀即得。
8.一种表面具有超亲水涂层的制品，其特征在于，所述制品的表面含有由权利要求1～6任一项所述的超亲水功能涂料形成的超亲水涂层。
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