CN111849325A - 一种纳米TiO2粉末超疏水涂层材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种纳米TiO2粉末超疏水涂层材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米TiO2粉末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：乙醇120份、聚氨酯80～100份、萜烯树脂10～16份、纳米TiO2粉末8～20份、硅烷偶联剂乙醇溶液1～3份、硬脂酸0.6～1.6份、硬脂酸锌1～2份、抗氧剂0.3～0.8份、聚乙烯吡咯烷酮0.5～1.5份。

Description

一种纳米TiO2粉末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，尤其是一种纳米TiO2粉末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纳米TiO2粉末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：一种纳米TiO2粉末超疏水涂层材料，由以下质量份数的各组分制备而成：乙醇120份、聚氨酯80～100份、萜烯树脂10～16份、纳米TiO2粉末8～20份、硅烷偶联剂乙醇溶液1～3份、硬脂酸0.6～1.6份、硬脂酸锌1～2份、抗氧剂0.3～0.8份、聚乙烯吡咯烷酮0.5～1.5份。
所述硅烷偶联剂为KH-550、KH560、KH570中的一种。
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2/3乙醇中球磨后，得到超细悬浮液A；
步骤S2：在体积比为1∶1的乙醇水混合液中加入纳米TiO2粉末，超声搅拌；加入少量三乙胺，再滴加硅烷偶联剂乙醇溶液进行反应，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇洗涤后干燥，得到改性纳米TiO2粉末；将其与硬脂酸、硬脂酸锌、抗氧剂、聚乙烯吡咯烷酮依次加入到1/3的乙醇中，混合均匀，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180～210℃，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中所述超声搅拌时间为1～2h，温度为60～80℃；所述反应时间为2～3h；所述干燥温度为80℃。
步骤S3中所述加热目标温度为60℃，超声时间为1～2h，搅拌时间为2～4h。
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：
本发明通过改性二氧化钛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，使涂层疏水性能好，并进一步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：
将8份纳米TiO2粉末加入到5倍量的体积比为1∶1的乙醇水混合液中，先超声分散再搅拌1h，保持温度60℃。加入少量三乙胺，然后缓慢滴加1份硅烷偶联剂乙醇溶液，在快速搅拌条件下使充分反应2h，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇洗涤，在80℃下干燥得到改性纳米TiO2粉末。
将80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。将上述改性纳米TiO2粉末和0.6份硬脂酸、1份硬脂酸锌、0.3份抗氧剂1024和0.5份聚乙烯吡咯烷酮依次加入到40份的乙醇中，混合均匀，得到混合液B。将悬浮液A加入到混合液B中，加热至60℃，先超声1h，后搅拌4h，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15～20cm，喷涂压力为40～60kPa，喷枪移动速度为40～60mm/s。等涂层自然晾干后放入烘箱里，按4～5℃/min的升温速率从室温升至180～210℃固化，保持2～4h后取出。
实施例2
超疏水涂层材料的制备步骤包括以下：
将14份纳米TiO2粉末加入到5倍量的体积比为1∶1的乙醇水混合液中，先超声分散再搅拌2h，保持温度70℃。加入少量三乙胺，然后缓慢滴加2份硅烷偶联剂乙醇溶液，在快速搅拌条件下使充分反应2h，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇洗涤，在80℃下干燥得到改性纳米TiO2粉末。
将90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4～6h，得到超细悬浮液A。将上述改性纳米TiO2粉末和0.9份硬脂酸、1.5份硬脂酸锌、0.6份抗氧剂1024和0.8份聚乙烯吡咯烷酮依次加入到40份的乙醇中，混合均匀，得到混合液B。将悬浮液A加入到混合液B中，加热至60℃，先超声2h，后搅拌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4℃/min的升温速率从室温升至200℃固化，保持2～4h后取出。
实施例3
超疏水涂层材料的制备步骤包括以下：
将18份纳米TiO2粉末加入到5倍量的体积比为1∶1的乙醇水混合液中，先超声分散再搅拌2h，保持温度80℃。加入少量三乙胺，然后缓慢滴加2.5份硅烷偶联剂乙醇溶液，在快速搅拌条件下使充分反应3h，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇洗涤，在80℃下干燥得到改性纳米TiO2粉末。
将100份聚氨酯和14份萜烯树脂加入到80份乙醇中置高能球磨机中球磨5h，得到超细悬浮液A。将上述改性纳米TiO2粉末和1.2份硬脂酸、1.5份硬脂酸锌、0.8份抗氧剂1024和1.0份聚乙烯吡咯烷酮依次加入到40份的乙醇中，混合均匀，得到混合液B。将悬浮液A加入到混合液B中，加热至60℃，先超声2h，后搅拌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200℃固化，保持4h后取出。
实施例4
超疏水涂层材料的制备步骤包括以下：
将20份纳米TiO2粉末加入到5倍量的体积比为1∶1的乙醇水混合液中，先超声分散再搅拌2h，保持温度80℃。加入少量三乙胺，然后缓慢滴加3份硅烷偶联剂乙醇溶液，在快速搅拌条件下使充分反应3h，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇洗涤，在80℃下干燥得到改性纳米TiO2粉末。
将100份聚氨酯和16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。将上述改性纳米TiO2粉末和1.6份硬脂酸、2份硬脂酸锌、0.8份抗氧剂1024和1.2份聚乙烯吡咯烷酮依次加入到40份的乙醇中，混合均匀，得到混合液B。将悬浮液A加入到混合液B中，加热至60℃，先超声2h，后搅拌2h，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210℃固化，保持2h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，改性二氧化钛制备中加入二氧化钛质量份数为25份。
对比例3
一种超疏水涂层的制备，与实施例2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 BDA0002561799350000071
Figure BDA0002561799350000081
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)

1.一种纳米TiO2粉末超疏水涂层材料，其特征在于，由以下质量份数的各组分制备而成：乙醇120份、聚氨酯80～100份、萜烯树脂10～16份、纳米TiO2粉末8～20份、硅烷偶联剂乙醇溶液1～3份、硬脂酸0.6～1.6份、硬脂酸锌1～2份、抗氧剂0.3～0.8份、聚乙烯吡咯烷酮0.5～1.5份。
2.根据权利要求1所述的超疏水涂层材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH-550、KH560、KH570中的一种。
3.根据权利要求1所述的超疏水涂层材料，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮为PVPK30；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所述的纳米TiO2粉末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2/3乙醇中球磨后，得到超细悬浮液A；
步骤S2：在体积比为1∶1的乙醇水混合液中加入纳米TiO2粉末，超声搅拌；再滴加硅烷偶联剂乙醇溶液进行反应，反应完成后室温陈化，抽滤，用乙醇洗涤后干燥，得到改性纳米TiO2粉末；将其与硬脂酸、硬脂酸锌、抗氧剂、聚乙烯吡咯烷酮依次加入到1/3的乙醇中，混合均匀，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180～210℃，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中所述超声搅拌时间为1～2h，温度为60～80℃；所述反应时间为2～3h；所述干燥温度为80℃。
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1～2h，搅拌时间为2～4h。
10.一种如权利要求1-3任一所述纳米TiO2粉末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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