CN111777935A - 一种超疏水涂层材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超疏水涂层材料及其制备方法与应用，所述超疏水涂层材料，由以下质量份数的各组分制备而成：120份乙醇、80～100份聚氨酯、8～12份萜烯树脂、10～20份二硫化钼、2～4份纳米氧化铝、15～20份硅烷偶联剂、1～2份石墨烯、1～2份碳化硅、0.6～1.6份硬脂酸、1～2份硬脂酸锌、1.0～1.5份聚乙烯吡咯烷酮、0.3～0.8份抗氧剂和0.5～1.0份月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐。

Description

一种超疏水涂层材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及超疏水涂层材料领域，尤其是一种超疏水涂层材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着人类社会发展的需要和科学技术的进步，水下工程的规模越来越大，在水下资源的调查探测、抢险救生、海洋开发、船体表面清刷作业等越来越多地需要用到水下机器人。水下机器人长时间在水下工作，相关构件会受到海水/污水的侵蚀，海水的盐分会加快履带的老化或造成腐蚀，在这样的环境下使用后要及时清洗履带；在行进过程中，履带会与砂石泥浆或其他水中异物摩擦造成磨损。为了将腐蚀和磨损造成的损失降低到最低限度，采用涂层保护的方法是目前应用最广泛也是最有效的措施。尽管已有较多耐磨和耐腐蚀涂层用于各个领域，但仍存在开发适应各种特殊环境涂层的持续动力。专利CN107629653A公开了一种履带的外保护涂层，可大幅提高履带的耐磨性能，但其疏水性不是很好，而且其中用到的三正丁胺属于剧毒品，给制备带来不便，对环境造成不好影响。为了提高涂层的疏水性，有的研究者使用含氟物质来降低材料表面能，但是含氟物质造价高，并且对环境有一定危害，或使用含有硅氧键的无氟聚合物的涂层，但其结合力存在一定的问题，在运动过程中容易剥落。
发明内容
本发明旨在提供一种超疏水涂层材料及其制备方法与应用。
本发明提供的第一技术方案为：一种超疏水涂层材料，由以下质量份数的各组分制备而成：由以下质量份数的各组分制备而成：120份乙醇、80～100份聚氨酯、8～12份萜烯树脂、10～20份二硫化钼、2～4份纳米氧化铝、15～20份硅烷偶联剂、1～2份石墨烯、1～2份碳化硅、0.6～1.6份硬脂酸、1～2份硬脂酸锌、1.0～1.5份聚乙烯吡咯烷酮、0.3～0.8份抗氧剂和0.5～1.0份月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐。
所述硅烷偶联剂为KH-550、KH560、KH570中的至少一种。
所述聚乙烯吡咯烷酮为PVP K30，所述聚氨酯聚合度为800～1500，所述抗氧剂为抗氧剂1024。
本发明提供的第二技术方案为：一种如上所述的超疏水涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1将聚氨酯和萜烯树脂加入到80乙醇中球磨后，得到超细悬浮液A；
步骤S2：在体积比为3∶1的乙醇水溶液中，加入MoS2粉末、纳米Al2O3和硅烷偶联剂，超声后使用盐酸溶液调节pH，第一次加热搅拌，室温陈化，抽滤，洗涤，干燥，研磨，得到改性MoS2/Al2O3复合粒子粉末；将其与聚乙烯吡咯烷酮加入到30份乙醇中，第二次加热超声搅拌使混合均匀，得到MoS2/Al2O3复合粒子溶液；另取硬脂酸和硬脂酸锌溶解于剩余的10份乙醇中，与MoS2/Al2O3复合粒子溶液合并；最后依次加入石墨烯、碳化硅、抗氧剂和月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐，边加边搅拌，得到混合液B；
步骤S3：将所述悬浮液A加入到所述混合液B中，加热，超声，搅拌后，即得涂层材料C；
步骤S4：将所述涂层材料C用喷枪喷涂于基体表面，自然晾干后放入烘箱进行固化，即得超疏水涂层。
步骤S4中所述喷枪喷嘴与基体表面的距离为15～20cm，喷涂压力为40～60kPa，喷枪移动速度为40～60mm/s。
步骤S4中所述固化温度200～240℃，固化时间为2～4h；从室温到固化温度的升温速率为4～5℃/min。
步骤S1中所述球磨时间为4～6h。
步骤S2中所述超声时间为2h，pH 4～5；第一次搅拌温度为70～80℃，时间为3h；干燥温度为80℃；第二次加热超声搅拌的温度为40℃，时间为30min；合并温度为40℃。
步骤S3中所述加热目标温度为60℃，超声时间为1h，搅拌时间为3h。
本发明提供的第三技术方案为：一种如上所述超疏水涂层材料用于制备水下机器人履带防护的耐磨防腐蚀涂层。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明把二硫化钼和氧化铝一起通过超声分散和机械搅拌，加入硅烷偶联剂改性形成复合粒子，MoS2具有良好的润滑性能，可使所制涂层耐磨性能显著增强，改性后提高了疏水性，并使其在有机介质中的分散性大大提高，添加在聚氨酯中，与聚氨酯形成紧密的交联结构，会使聚氨酯的抗张强度和断裂伸长率得到提高，通过与其他组分的复配，使涂层疏水性能进一步增强，并增加了涂层的粘接力与耐磨性能。通过本发明制备的超疏水涂层材料，可应用于不同材质的水下机器人履带，该涂层结合力强，长期使用不易脱落，耐磨性能好，能有效提高基体耐腐蚀性能，减缓基体表面的腐蚀和老化速度，减少履带各部件与水中异物的摩擦导致的磨损，起到良好的防护作用，延长其使用寿命；且涂层疏水性能好，对水接触角大于150°，使用后清洗更加方便高效，保养方便，节省维护和更换费用，具有较大的应用前景。而且制备方法简单，对环境影响小，使用寿命长，经济环保，可广泛用于水下机器人履带的各个部件。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
超疏水涂层材料的制备步骤包括以下：
在体积比为3∶1的乙醇水溶液中，加入10份MoS2粉末、2份纳米Al2O3和15份硅烷偶联剂，先室温下超声2h，然后加入适量盐酸溶液，调节pH至4～5，加热，在70～80℃下快速搅拌3h使充分反应，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇水溶液洗涤，在80℃下干燥，研磨得到改性MoS2/Al2O3复合粒子粉末。
将80份聚氨酯和8份萜烯树脂加入到80份乙醇中置高能球磨机中球磨4～6h，得到超细悬浮液A。
将上述改性MoS2/Al2O3粉末和1.0份聚乙烯吡咯烷酮加入到30份乙醇中，加热到40℃，超声分散并强力搅拌30min，使混合均匀，得到MoS2/Al2O3复合粒子溶液；另取0.6份硬脂酸和1份硬脂酸锌加入到剩余的10份乙醇中超声10min，分散溶解后合并到MoS2/Al2O3复合粒子溶液中，加热保持温度40℃，搅拌混合均匀；最后依次加入1份石墨烯、1份碳化硅、0.3份抗氧剂和0.5份月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐，边加边搅拌，得到混合液B。
将所述悬浮液A加入到所述混合液B中，加热至60℃，先超声1h，后强力搅拌3h，混合均匀，得到涂层材料C。
将所述涂层材料C用喷枪均匀喷涂于已清洗干净并干燥好的基体表面，保持喷枪喷嘴与基体表面的距离为15cm，喷涂压力为40kPa，喷枪移动速度为40mm/s。等涂层自然晾干后放入烘箱里，按4℃/min的升温速率从室温升至200℃固化，保持2h后取出。
实施例2
超疏水涂层材料的制备步骤包括以下：
在体积比为3∶1的乙醇水溶液中，加入15份MoS2粉末、3份纳米Al2O3和20份硅烷偶联剂，先室温下超声2h，然后加入适量盐酸溶液，调节pH至4～5，加热，在70～80℃下快速搅拌3h使充分反应，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇水溶液洗涤，在80℃下干燥，研磨得到改性MoS2/Al2O3复合粒子粉末。
将85份聚氨酯和10份萜烯树脂加入到80份乙醇中置高能球磨机中球磨4～6h，得到超细悬浮液A。
将上述改性MoS2/Al2O3粉末和1.5份聚乙烯吡咯烷酮加入到30份乙醇中，加热到40℃，超声分散并强力搅拌30min，使混合均匀，得到MoS2/Al2O3复合粒子溶液；另取1.0份硬脂酸和1.5份硬脂酸锌加入到剩余的10份乙醇中超声10min，分散溶解后合并到MoS2/Al2O3复合粒子溶液中，加热保持温度40℃，搅拌混合均匀；最后依次加入1.5份石墨烯、1.5份碳化硅、0.6份抗氧剂和0.8份月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐，边加边搅拌，得到混合液B。
将所述悬浮液A加入到所述混合液B中，加热至60℃，先超声1h，后强力搅拌3h，混合均匀，得到涂层材料C。
将所述涂层材料C用喷枪均匀喷涂于已清洗干净并干燥好的基体表面，保持喷枪喷嘴与基体表面的距离为20cm，喷涂压力为50kPa，喷枪移动速度为50mm/s。等涂层自然晾干后放入烘箱里，按5℃/min的升温速率从室温升至240℃固化，保持3h后取出。
实施例3
超疏水涂层材料的制备步骤包括以下：
在体积比为3∶1的乙醇水溶液中，加入15份MoS2粉末、3份纳米Al2O3和20份硅烷偶联剂，先室温下超声2h，然后加入适量盐酸溶液，调节pH至4～5，加热，在70～80℃下快速搅拌3h使充分反应，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇水溶液洗涤，在80℃下干燥，研磨得到改性MoS2/Al2O3复合粒子粉末。
将95份聚氨酯和10份萜烯树脂加入到80份乙醇中置高能球磨机中球磨4～6h，得到超细悬浮液A。
将上述改性MoS2/Al2O3粉末和1.5份聚乙烯吡咯烷酮加入到30份乙醇中，加热到40℃，超声分散并强力搅拌30min，使混合均匀，得到MoS2/Al2O3复合粒子溶液；另取1.6份硬脂酸和2份硬脂酸锌加入到剩余的10份乙醇中超声10min，分散溶解后合并到MoS2/Al2O3复合粒子溶液中，加热保持温度40℃，搅拌混合均匀；最后依次加入2份石墨烯、2份碳化硅、0.8份抗氧剂和1.0份月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐，边加边搅拌，得到混合液B。
将所述悬浮液A加入到所述混合液B中，加热至60℃，先超声1h，后强力搅拌3h，混合均匀，得到涂层材料C。
将所述涂层材料C用喷枪均匀喷涂于已清洗干净并干燥好的基体表面，保持喷枪喷嘴与基体表面的距离为20cm，喷涂压力为50kPa，喷枪移动速度为50mm/s。等涂层自然晾干后放入烘箱里，按5℃/min的升温速率从室温升至240℃固化，保持3h后取出。
实施例4
超疏水涂层材料的制备步骤包括以下：
在体积比为3∶1的乙醇水溶液中，加入20份MoS2粉末、4份纳米Al2O3和20份硅烷偶联剂，先室温下超声2h，然后加入适量盐酸溶液，调节pH至4～5，加热，在70～80℃下快速搅拌3h使充分反应，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇水溶液洗涤，在80℃下干燥，研磨得到改性MoS2/Al2O3复合粒子粉末。
将100份聚氨酯和12份萜烯树脂加入到80份乙醇中置高能球磨机中球磨6h，得到超细悬浮液A。
将上述改性MoS2/Al2O3粉末和1.5份聚乙烯吡咯烷酮加入到30份乙醇中，加热到40℃，超声分散并强力搅拌30min，使混合均匀，得到MoS2/Al2O3复合粒子溶液；另取1.6份硬脂酸和2份硬脂酸锌加入到剩余的10份乙醇中超声10min，分散溶解后合并到MoS2/Al2O3复合粒子溶液中，加热保持温度40℃，搅拌混合均匀；最后依次加入2份石墨烯、2份碳化硅、0.8份抗氧剂和1.0份月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐，边加边搅拌，得到混合液B。
将所述悬浮液A加入到所述混合液B中，加热至60℃，先超声1h，后强力搅拌3h，混合均匀，得到涂层材料C。
将所述涂层材料C用喷枪均匀喷涂于已清洗干净并干燥好的基体表面，保持喷枪喷嘴与基体表面的距离为20cm，喷涂压力为60kPa，喷枪移动速度为60mm/s。等涂层自然晾干后放入烘箱里，按5℃/min的升温速率从室温升至240℃固化，保持4h后取出。
对比例1
一种超疏水涂层的制备，与实施例2基本相同，区别仅在于，悬浮液A中不加萜烯树脂。
对比例2
一种超疏水涂层的制备，与实施例3基本相同，区别仅在于，所加聚氨酯质量份数为40份。
对比例3
一种超疏水涂层的制备，与实施例3基本相同，区别仅在于，所加二硫化钼质量份数为3份。
对比例4
一种超疏水涂层的制备，与实施例4基本相同，区别仅在于，制备的涂层固化时间为30min。
性能测试
将实施例和对比例制备得到涂层进行水接触角、耐腐蚀性和附着力测试，其测试结果如下表所示：
Figure BDA0002561579390000081
Figure BDA0002561579390000091
由上述结果可知，通过本发明制备的超疏水涂层材料，结合力强，长期使用不易脱落，耐磨性能好，能有效提高基体耐腐蚀性能，减缓基体表面的腐蚀和老化速度，可应用于不同材质的水下机器人履带的各个部件，减少履带各部件与水中异物的摩擦导致的磨损，起到良好的防护作用，延长其使用寿命；且涂层疏水性能好，对水接触角大于150°，使用后清洗更加方便高效，保养方便，节省维护和更换费用，具有较大的应用前景。

Claims (10)

1.一种超疏水涂层材料，其特征在于，由以下质量份数的各组分制备而成：120份乙醇、80～100份聚氨酯、8～12份萜烯树脂、10～20份二硫化钼、2～4份纳米氧化铝、15～20份硅烷偶联剂、1～2份石墨烯、1～2份碳化硅、0.6～1.6份硬脂酸、1～2份硬脂酸锌、1.0～1.5份聚乙烯吡咯烷酮、0.3～0.8份抗氧剂和0.5～1.0份月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐。
2.根据权利要求1所述超疏水涂层材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH-550、KH560、KH570中的至少一种。
3.根据权利要求1所述超疏水涂层材料，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮为PVP K30，所述聚氨酯聚合度为800～1500，所述抗氧剂为抗氧剂1024。
4.一种如权利要求1所述的超疏水涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1将聚氨酯和萜烯树脂加入到80乙醇中球磨后，得到超细悬浮液A；
步骤S2：在体积比为3∶1的乙醇水溶液中，加入MoS2粉末、纳米Al2O3和硅烷偶联剂，超声后使用盐酸溶液调节pH，第一次加热搅拌，室温陈化，抽滤，洗涤，干燥，研磨，得到改性MoS2/Al2O3复合粒子粉末；将其与聚乙烯吡咯烷酮加入到30份乙醇中，第二次加热超声搅拌使混合均匀，得到MoS2/Al2O3复合粒子溶液；另取硬脂酸和硬脂酸锌溶解于剩余的10份乙醇中，与MoS2/Al2O3复合粒子溶液合并；最后依次加入石墨烯、碳化硅、抗氧剂和月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐，边加边搅拌，得到混合液B；
步骤S3：将所述悬浮液A加入到所述混合液B中，加热，超声，搅拌后，即得涂层材料C；
步骤S4：将所述涂层材料C用喷枪喷涂于基体表面，自然晾干后放入烘箱进行固化，即得超疏水涂层。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤S4中所述喷枪喷嘴与基体表面的距离为15～20cm，喷涂压力为40～60kPa，喷枪移动速度为40～60mm/s。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤S4中所述固化温度200～240℃，固化时间为2～4h；从室温到固化温度的升温速率为4～5℃/min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述球磨时间为4～6h。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述超声时间为2h，pH 4～5；第一次搅拌温度为70～80℃，时间为3h；干燥温度为80℃；第二次加热超声搅拌的温度为40℃，时间为30min；合并温度为40℃。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述加热目标温度为60℃，超声时间为1h，搅拌时间为3h。
10.一种如权利要求1-3任一所述超疏水涂层材料用于制备水下机器人履带防护的耐磨防腐蚀涂层。
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