CN111621210A - 一种超强机械性能的超疏水油漆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超强机械性能的超疏水油漆，由以下质量份的原料制得：环氧树脂1～10份，聚乙二醇0.4～2.4份，二氧化钛1～2.5份，1H,1H,2H,2H‑全氟辛基三乙氧基硅烷1.6～5份，聚(N‑异丙基丙烯酰胺)0.02～0.12份，氟硅烷0.1～1.2份，固化剂0.2～1.2份。本发明还提供了超疏水油漆的制备方法。本发明提供的超疏水油漆解决了响应性超润湿材料普遍的弱机械性能、不易在多种基材表面制备的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及超润湿响应性材料制备与应用领域，尤其涉及一种超强机械性能的超疏水油漆及其制备方法。
背景技术
材料的润湿性(Wettability)是通过对表面水滴接触角(Water contact angle，WCA)进行判断，可以分为4种，即超亲水，亲水，疏水，超疏水。当WCA<10°时，称该表面为超亲水材料；当10°<WCA<90°时，该表面为亲水材料；当90°<WCA<150°时，该表面为疏水材料；当WCA>150°时，此表面为超疏水材料。通过对表面的微观结构构建和化学成分改性是目前制备特殊润湿性材料的主要方法。
对于润湿性材料的研究，主要集中在响应性润湿性材料。当有外部刺激例如光、电、温度、pH、溶剂、磁场时，响应性润湿表面可以实现润湿性转变，例如实现(超)亲水到(超)疏水，(超)疏油到(超)亲水，水下(超)疏油到水下(超)亲油等可逆转变。这些响应性润湿材料也是通过调控表面粗糙度和化学成分来制备的，但是其中还需要加入响应性物质或者聚合物。比如，具有光敏性的二氧化钛、氧化锌、三氧化钨等用来合成光响应的超润湿材料；具有温敏性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)在温度变化时发生相转变，也可以实现润湿性变化。这种智能响应润湿性材料在自清洁、油水分离、微流控、载药、传感器、电池封装等领域有极大的应用前景。
通过表面响应因子对外部刺激，材料润湿性可以实现可逆地转变。但是这些材料有以下几点弊端：(1)响应性超润湿材料往往仅限于实验室的制备，并不合适大规模的生产；(2)由于所获得响应性超润湿材料表面上有微纳米结构极易磨损破坏，表面的超润湿性会丧失，所以如何同时保持表面的机械性能和超润湿性较为困难；(3)大多数响应性超润湿材料的制备常常需要特殊单一的基底材料，给响应性超润湿材料的普适性应用增加了难度。因此，从大规模生产、机械性能和超润湿性的稳定性、多材料基底应用方面考虑，保持超高机械性能的超润湿响应性油漆涂层的开发和研究具有较大的应用前景和较高的实用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超强机械性能的超疏水油漆及其制备方法，解决了响应性超润湿材料普遍的弱机械性能、不易在多种基材表面制备的技术问题。
本发明提供一种超强机械性能的超疏水油漆，由以下质量份的原料制得：环氧树脂1～10份，聚乙二醇0.4～2.4份，二氧化钛1～2.5份，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷1.6～5份，聚(N-异丙基丙烯酰胺)0.02～0.12份，氟硅烷0.1～1.2份，固化剂0.2～1.2份。
进一步地，由以下质量份的原料制得：环氧树脂5份，聚乙二醇2.0份，二氧化钛1.5份，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷3.5份，聚(N-异丙基丙烯酰胺)0.1份，氟硅烷0.6份，固化剂0.8份。
进一步地，由以下质量份的原料制得：环氧树脂8份，聚乙二醇0.6份，二氧化钛2.0份，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷2.0份，聚(N-异丙基丙烯酰胺)0.05份，氟硅烷0.5份，固化剂1.0份。
进一步地，所述固化剂选用乙二胺、己二胺、三氟化硼、芳香族多胺类固化剂、改性脂肪胺类固化剂或酸酐类固化剂等固化剂中的任一类。
本发明还提供了上述超强机械性能的超疏水油漆的制备方法，包括以下步骤：
S1，称取环氧树脂和聚乙二醇混合，加入无水乙醇，磁力搅拌；
S2，向二氧化钛中加入无水乙醇，磁力搅拌；
S3，将步骤S1的溶液和步骤S2的溶液混合，然后依次加入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、氟硅烷、固化剂，磁力搅拌，超声处理，即得到超疏水油漆。
上述步骤中，环氧树脂通过乙醇溶液稀释并且磁力搅拌处理后变为粘稠度较低的混合溶液，与聚乙二醇混合搅拌，调控表面能，然后与氟化的二氧化钛复合颗粒混合搅拌，可以形成均匀的悬浮溶液；二氧化钛纳米颗粒利用无水乙醇溶液混合搅拌，再用氟硅烷修饰剂处理约1h，搅拌、超声交叉操作，使氟硅烷完全修饰到二氧化钛纳米颗粒上。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的超疏水油漆可以进行大规模生产；本发明提供的超疏水油漆克服了现如今超润湿材料的机械性能较弱的普遍问题，极大提升了其应用范围；本发明提供的超疏水油漆解决了超润湿响应性材料的单一性问题，可以涂覆在不同的基底材料上，例如金属片，玻璃片，塑料片，滤纸，织布，大大增加其应用的普适性；本发明提供的超疏水油漆进行砂纸打磨、刀片划、手指擦拭的机械性破坏，材料表面依然具有稳定的超润湿响应性质。
附图说明
图1是本发明合成超疏水油漆的工艺示意图。
图2是实施例1制得的油漆形成的涂层的扫描电子显微镜图。
图3是实施例1制得的油漆形成的涂层在不同温度的润湿性变化示意图。
图4是实施例1制得的油漆喷涂在铝片基底上形成的涂层在不同温度下的响应性润湿性循环示意图。
图5(a)是对实施例1制得的油漆形成的涂层进行砂纸打磨的示意图，图5(b)是打磨完后涂层的扫描电子显微镜图，图5(c)是打磨完后涂层随温度变化的超润湿性示意图。
图6是砂纸打磨后实施例1制得的油漆形成的涂层在不同温度下的响应性润湿性循环示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明提供了一种超强机械性能的超疏水油漆，由以下质量份的原料制得：环氧树脂1～10份，聚乙二醇0.4～2.4份，二氧化钛1～2.5份，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷1.6～5份，聚(N-异丙基丙烯酰胺)0.02～0.12份，氟硅烷0.1～1.2份，固化剂0.2～1.2份。
环氧树脂具有强黏附性，可以使制得的油漆涂敷在基底的表面。
二氧化钛颗粒由粒径为21nm左右的P25二氧化钛和粒径为200nm的锐钛矿二氧化钛组成，P25二氧化钛和200nm锐钛矿二氧化钛的质量比为1.0～3.0：1。
聚(N-异丙基丙烯酰胺)随着温度变化发生相转变，在基底的表面上实现超疏水到超亲水的可逆温度响应。
固化剂可以选用乙二胺、己二胺、三氟化硼、芳香族多胺类固化剂、改性脂肪胺类固化剂或酸酐类固化剂中的任一类。
参考图1，本发明还提供了上述超强机械性能的超疏水油漆的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，按质量份计，称取1～10份环氧树脂和0.4～2.4份聚乙二醇混合，加入无水乙醇，磁力搅拌；
步骤S2，按质量份计，向1～2.5份二氧化钛中加入无水乙醇，磁力搅拌；
步骤S3，将步骤S1的溶液和步骤S2的溶液混合，按质量份计，依次加入1.6～5份1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷、0.02～0.12份聚(N-异丙基丙烯酰胺)、0.1～1.2份氟硅烷、0.2～1.2份固化剂，磁力搅拌，超声处理，即得到超疏水油漆。
下面结合实施例对本发明提供的超疏水油漆及其制备方法进行详细说明。
实施例1：
在100mL的烧杯中，加入5g环氧树脂和2.0g聚乙二醇，再加入30mL的无水乙醇溶液，然后在磁力搅拌器中搅拌15min；称取1.5g二氧化钛颗粒(P25二氧化钛和200nm锐钛矿二氧化钛的质量比为2.0:1)加入到250mL的蓝口瓶中，再加入70mL的无水乙醇溶液，然后磁力搅拌15min；将环氧树脂与二氧化钛溶液进行混合，再加入3.5g1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，磁力搅拌15min，超声处理15min，搅拌与超声处理重复2次；然后加入0.1g聚(N-异丙基丙烯酰胺)，搅拌超声处理各5min；最后加入0.6g氟硅烷和0.8g乙二胺，磁力搅拌5min，超声处理10min，再磁力搅拌5min，即制得超疏水油漆。
实施例1中，每1g为一份。
将实施例1制得的油漆喷涂、刷涂、浸凃在不同基底表面以制备超润湿涂层表面，基底可以为金属片、玻璃片、塑料片、织布或滤纸。在室温条件下自然干燥6～24h或者在60℃烘箱内干燥1～4h即可。
对超润湿响应涂层表面进行形貌结构表征，图2是实施例1制得的油漆形成的涂层的扫描电子显微镜图。
测量实施例1制得的油漆形成的涂层表面在不同温度下的水滴接触角大小，结果如图3所示，在温度为50℃时，该涂层显示超疏水性质，水滴在该表面的接触角约156.4°，在温度为10℃时，该涂层显示超亲水性，水滴接触角为7.5°。
将该响应型表面进行温度变化50次循环测试，表面依然可以在温度变化下拥有可逆的超疏水到超亲水性的转变，说明实施例1制得的油漆形成的涂层表面具有稳定的超疏水向超亲水可逆响应，图4是实施例1制得的油漆喷涂在铝片基底上形成的涂层在不同温度下的响应性润湿性循环，在50℃时，显示超疏水性质；在10℃时，显示超亲水性质。
对铝片基底上的涂层进行砂纸打磨，将该表面正对着320目的砂纸，再在表面加上200g的砝码，将该表面在砂纸上运动10cm的距离，如此重复50次后，该表面也具有温度响应的超润湿性变化，图5(a)是对实施例1制得的油漆形成的涂层进行砂纸打磨的示意图，图5(b)是打磨完后涂层的扫描电子显微镜图，图5(c)是打磨完后涂层随温度变化的超润湿性，在50℃时，打磨后的涂层显示超疏水性质，在10℃时，打磨后的涂层显示超亲水性质。Scalebar:5mm,1cm。图6是砂纸打磨后该涂层表面在不同温度下的响应性润湿性循环。
实施例2：
在100mL的烧杯中，加入8g环氧树脂和0.6g聚乙二醇，再加入30mL的无水乙醇溶液，然后在磁力搅拌器中搅拌15min；称取2.0g二氧化钛颗粒(P25二氧化钛和200nm锐钛矿二氧化钛的质量比为1:1)加入到250mL的蓝口瓶中，再加入70mL的无水乙醇溶液，然后磁力搅拌15min；将环氧树脂与二氧化钛溶液进行混合，再加入2.0g1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，磁力搅拌15min，超声处理15min，搅拌与超声处理重复2次；然后加入0.05g聚(N-异丙基丙烯酰胺)，搅拌超声处理各5min；最后加入0.5g氟硅烷和1.0g己二胺，磁力搅拌5min，超声处理10min，再磁力搅拌5min，即制得超疏水油漆。
实施例2中，每1g为一份。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种超强机械性能的超疏水油漆，其特征在于，由以下质量份的原料制得：环氧树脂1～10份，聚乙二醇0.4～2.4份，二氧化钛1～2.5份，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷1.6～5份，聚(N-异丙基丙烯酰胺)0.02～0.12份，氟硅烷0.1～1.2份，固化剂0.2～1.2份。
2.根据权利要求1所述的超强机械性能的超疏水油漆，其特征在于，由以下质量份的原料制得：环氧树脂5份，聚乙二醇2.0份，二氧化钛1.5份，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷3.5份，聚(N-异丙基丙烯酰胺)0.1份，氟硅烷0.6份，固化剂0.8份。
3.根据权利要求1所述的超强机械性能的超疏水油漆，其特征在于，由以下质量份的原料制得：环氧树脂8份，聚乙二醇0.6份，二氧化钛2.0份，1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷2.0份，聚(N-异丙基丙烯酰胺)0.05份，氟硅烷0.5份，固化剂1.0份。
4.根据权利要求1～3任一项所述的超强机械性能的超疏水油漆，其特征在于，所述固化剂选用乙二胺、己二胺或三氟化硼。
5.权利要求1～3任一项所述的超强机械性能的超疏水油漆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，称取环氧树脂和聚乙二醇混合，加入无水乙醇，磁力搅拌；
S2，向二氧化钛中加入无水乙醇，磁力搅拌；
S3，将步骤S1的溶液和步骤S2的溶液混合，然后依次加入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、氟硅烷、固化剂，磁力搅拌，超声处理，即得到超疏水油漆。
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