CN112111198A - 一种纳米纤维超疏水涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗防护领域，特别涉及一种纳米纤维超疏水涂层的制备。利用纳米纤维素颗粒表面的‑OH基团，进行硅烷化疏水处理；将得到的疏水化纳米纤维与疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷等按照一定的比例，在有机溶剂中混合，利用超声分散，得到纳米复合悬浮液。纳米纤维超疏水涂层具有独特的微纳多级复合结构，该结构能够有效地抑制病菌在该表面的吸附，保障使用人员安全，同时形成的涂层或表面还具有耐氧化、无毒、环保和抗辐射等特性。本涂层适用范围广泛，可用于物品外表面的防尘、防油污，输油(水)管道和微通道流的表层减阻，以及主要应用方向，医用口罩、防护服等防护用品的外表面防水、防飞沫，提高防护用品的抗病毒能力。

Description

一种纳米纤维超疏水涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及医疗防护领域，尤其涉及一种纳米纤维超疏水涂层的制备方法。
背景技术
涂层是一种间接的通过化学或物理过程在基材表面上产生一层具有完全不同性质的新物质作为保护或多功能层。在此基础上，超疏水涂层是一种具有特殊表面浸润性质的涂层，其与水的接触角大于150°且滚度角小于10°，有独特的非润湿特性，并具有防雪、抗菌、防腐蚀和抗氧化等特性，可广泛应用于医用防护、建筑、农业、军事等生产及生活的各个方面。
现今社会，随着人类活动范围的增加，新型高致病性高传染性病毒层出不穷，人类在研究高危病毒的过程中势必要长时间与病毒接触，极易受到病毒的侵害。因此对相关作业人员的防护提出了更高的要求。2020年新冠病毒爆发，其主要传播途径就是飞沫传播和接触传播，病原体不是单独存在于空气中，而是要承载在病毒携带者排出的分泌物和飞沫中，这些分泌物和飞沫可能会依附在物品上(如衣服等)。健康人群接触有感染者分泌物的物品后，再通过触摸口、鼻或眼睛，引起病毒传播。因此，对于新型冠状病毒应做好防护措施，切断传播途径就显得尤为重要。目前，主要的防护手段是口罩、防护服等医用产品阻隔病毒，但是口罩和防护服使用过程中表面会有病毒、细菌等有害物聚集，存在安全隐患。
经过检索，现有技术中报道了一些涂层的制备方法。例如：
CN110777567A公开了一种缓释香型装饰纸的抗菌超疏水整理方法，将漂白针叶木浆与漂白阔叶木浆在水中浸泡，用打浆机疏解后，开始打浆，在浆料中加入钛白粉-高岭土复合悬浮液、湿强剂和助留剂，用标准纸页成型器抄片后，真空干燥、平衡水分得装饰原纸；将所得装饰原纸浸渍于缓释香型抗菌微胶囊溶液中，浸渍后取出，自然干燥得缓释香型抗菌整理的装饰纸；将疏水化改性的纤维素纳米颗粒、甲基三甲氧基硅烷和水放于密闭反应器中反应后，加入四氢呋喃中超声得超疏水涂料，用喷枪将其均匀喷涂在缓释香型抗菌整理的装饰纸上，在烘箱中固化，得到缓释香型抗菌超疏水装饰纸。
CN105153819A是一种用纳米纤维素模板法制备超疏水涂层的方法，由纳米纤维素表面原位生成粒径可控的纳米TiO2，通过硬脂酸对使纳米TiO2表面进行疏水改性，无水乙醇为溶剂，十二烷基苯磺酸钠为分散剂。将以纳米纤维素(NCC)为模板改性过的TiO2与PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合，经机械共混，热处理得到超疏水涂层。优点：以硬脂酸作为改性剂，还引入了疏水性-CH3基团，降低TiO2/NCC的表面能；聚二甲基硅氧烷与TiO2/NCC复合增加涂层黏附力，并通过与无机纳米粒子的相互作用形成微/纳粗糙结构，弥补TiO2/NCC附着力差的缺点。方法简单，可广泛加入多种涂料中增强其疏水性能，涂膜耐磨性也有一定保障。
CN105670500A提出的是一种氧化锌/纤维素纳米晶体复合超疏水涂层的制备方法，其特征在于制备方法包括如下步骤：1)将特殊形貌纳米氧化锌和纤维素纳米晶体溶液按一定比例混合，在磁力搅拌条件下加入硬脂酸和乙醇的混合溶液中；2)一定时间后取出，老化，烘干，研磨成粉，并将粉末加入去离子水、催化剂氨水和分散剂十二烷基苯磺酸钠中的混合溶液中，超声后磁力搅拌至粘稠状；3)然后加入一定量的聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂继续磁力搅拌，形成溶液，涂布到基材表面即形成超疏水涂层。本发明的优点：本发明的制备工艺简单，易于操作，适合添加到多种涂料当中，且具备疏水、杀菌、增强耐磨性的特性。
然而，上述方法均直接采用超声的方法获得疏水材料，没有对原材料进行疏水化处理，其结构的纳米粒子分散不够均匀，并且涂层和基体的结合不够紧密，容易脱落。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了纳米纤维超疏水涂层，本涂层可以喷涂在多种产品表面，形成独特的微纳多级复合结构，该结构能够有效地抑制病菌在该表面的吸附，保障使用人员的安全，同时形成的涂层或表面还具有耐氧化、无毒、环保和抗辐射等特性，提高产品的使用寿命。利用本发明的方法，还可以获得高质量的疏水涂层，且与基体的结合良好。此外，本发明原料使用较少，成本低廉，适合大规模的应用。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种纳米纤维超疏水涂层的制备方法，其特征在于：所述的纳米纤维超疏水涂层以纳米纤维素为主体，经过硅烷化疏水处理后，与疏水高分子材料按照一定的比例在有机溶剂中混合并超声分散，最终形成纳米复合悬浮液。
其中，所述的纳米纤维素颗粒直径为50～100nm，长度>10μm。
所述的疏水高分子材料是聚二甲基硅氧烷。
所述的纳米纤维素硅烷化疏水处理的步骤是利用纳米纤维素表面的-OH基团，通过化学气相沉积法进行硅烷化改性，疏水处理后获得疏水化纳米纤维。
所述的疏水化纳米纤维与疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷按照3:1的比例在有机溶剂中混合，强化材料的疏水效果。
所述的有机溶剂是乙醇。
所述的疏水化纳米纤维与聚二甲基硅氧烷混合溶剂经过超声设备超声分散，超声分散时间3-5min，保证溶剂中两种材料充分、均匀分部在溶剂中，最终获得纳米复合悬浮液。
纳米纤维超疏水涂层的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，将纳米纤维素放入制备容器中；
步骤二，向容器中放入甲基三甲氧基硅烷2和去离子水3，其比例为纳米纤维素颗粒1：甲基三甲氧基硅烷2：去离子水3＝(1-30g)：(1-30)mL：(5-90)mL，优选10g：2mL：7mL，在室温(20-25℃)下反应约6-20min，优选12min；
步骤三，取出改性后的疏水化纳米纤维6放置在新的容器中；
步骤四，向放置疏水化纳米纤维6的容器中倒入乙醇5和疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷4，其比例为疏水化纳米纤维：聚二甲基硅氧烷：乙醇＝(1-30)g：(1-30)g：(1-100)mL；优选3g：1g：10mL；
步骤五，使用超声设备充分分散溶剂；
步骤六，将纳米复合悬浮液7倒入密封存料桶中保存。
进一步的，所述的纳米纤维超疏水涂层的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，将纳米纤维素放入制备容器中；
步骤二，向容器中放入甲基三甲氧基硅烷和去离子水，其比例为纳米纤维素颗粒：甲基三甲氧基硅烷：去离子水＝10g：2mL：7mL；在室温(20-25℃)下反应约12min；
步骤三，取出改性后的疏水化纳米纤维放置在新的容器中；
步骤四，向放置疏水化纳米纤维的容器中倒入乙醇和疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷，其比例为疏水化纳米纤维：聚二甲基硅氧烷：乙醇＝3g：1g：10mL；
步骤五，使用超声设备充分分散溶剂；
步骤六，将纳米复合悬浮液倒入密封存料桶中保存。
进一步的，所述的纳米复合悬浮液可以利用高压喷涂的方法喷涂到产品上，涂料需要等待疏水高分子固化后才能使用，常温下固化时间约10-15小时。
进一步的，所述的纳米复合悬浮液中的疏水高分子热稳定温度在300℃-340℃，为了保证热稳定性，涂层使用温度一般不超过300℃。
本发明的有益效果是：
1、本涂层起到自洁的作用，可以应用于建筑物的外墙、露天的广告牌的外层防水清洁，马达等微小部件、汽车的挡风玻璃的防尘、防油污；
2、本涂层可以应用于输油(水)管道和微通道流的表层减阻，降低表层摩擦力，起到节约能源的作用。
3、医用口罩、防护服等防护用品的外表面防水、防喷溅，提高防护用品的抗病毒能力和使用寿命，保障使用人员的健康。
附图说明
图1为超疏水涂层制备过程示意图；
图2为超疏水涂层制备过程流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：
实施例一
如图1所示，所述的纳米纤维超疏水涂层以纳米纤维素1为主体，经过硅烷化疏水处理后，与疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷4等按照一定的比例在有机溶剂5中混合并超声分散，最终形成纳米复合悬浮液7。
纳米纤维素颗粒1的直径为50～100nm，长度>10μm。
纳米纤维素1需要进行硅烷化疏水处理，疏水处理需利用纳米纤维素1表面的-OH基团，通过化学气相沉积法进行硅烷化改性，疏水处理后获得疏水化纳米纤维6。
所述的疏水化纳米纤维6与疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷4按照3:1的比例在有机溶剂5中混合。
所述的疏水化纳米纤维6与聚二甲基硅氧烷4混合溶剂经过超声设备超声分散，超声分散时间3-5min，保证溶剂中两种材料充分、均匀分部在溶剂中，最终获得纳米复合悬浮液7。
实施例三
纳米纤维超疏水涂层的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，将纳米纤维素放入制备容器中；
步骤二，向容器中放入甲基三甲氧基硅烷2和去离子水3，其比例为纳米纤维素颗粒1：甲基三甲氧基硅烷2：去离子水3＝10g：2mL：7mL，在室温(20-25℃)下反应约12min；
步骤三，取出改性后的疏水化纳米纤维6放置在新的容器中；
步骤四，向放置疏水化纳米纤维6的容器中倒入乙醇5和疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷4，其比例为疏水化纳米纤维：聚二甲基硅氧烷：乙醇＝3g：1g：10mL；
步骤五，使用超声设备充分分散溶剂；
步骤六，将纳米复合悬浮液7倒入密封存料桶中保存。
纳米复合悬浮液可以利用高压喷涂的方法喷涂到产品上，涂料需要等待疏水高分子固化后才能使用，常温下固化时间约10-15小时。
纳米复合悬浮液中的疏水高分子热稳定温度在300℃-340℃，为了保证热稳定性，涂层使用温度一般不超过300℃。
实施例四
制备对比例1：
步骤一，将纳米纤维素放入制备容器中；
步骤二，向容器中放入甲基三甲氧基硅烷2和去离子水3，其比例为纳米纤维素颗粒1：甲基三甲氧基硅烷2：去离子水3＝30g：2mL：21mL，在室温(20-25℃)下反应约12min；
步骤三，取出改性后的疏水化纳米纤维6放置在新的容器中；
步骤四，向放置疏水化纳米纤维6的容器中倒入乙醇5和疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷4，其比例为疏水化纳米纤维：聚二甲基硅氧烷：乙醇＝3g：1g：10mL；
步骤五，使用超声设备充分分散溶剂；
步骤六，将纳米复合悬浮液7倒入密封存料桶中保存。
实施例五
制备对比例2：
步骤一，将纳米纤维素放入制备容器中；
步骤二，向放置纳米纤维素的容器中倒入乙醇和疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷，其比例为疏水化纳米纤维：聚二甲基硅氧烷：乙醇＝3g：1g：10mL；
步骤三，使用超声设备充分分散溶剂；
步骤四，将纳米复合悬浮液倒入密封存料桶中保存。
实施例六
采用实施例三制备的纳米复合悬浮液喷涂于外墙样板，采用国家标准中的相应方法检测各项性能。
结果表明：
浸泡于去离子水中96小时后，无变色、起泡、脱落等异常现象(耐水性优异)。
耐人工老化实验2000小时，无变化。
耐温变性八次循环后无异常，最小水接触角≤15°。
自然曝晒实验1年，涂层外观无粉化，无明显污渍和雨痕，耐污性≤1级。
而采用实施例四和五制备的纳米复合悬浮液喷涂于外墙样板，用相同的方法进行实验，结果如表1所示。
表1外墙涂层项目测试比较
Figure BDA0002675180220000051
实施例七
在大豆酪蛋白消化物肉汤培养基(SCDB)内注入细菌的原种培养物，并在37℃下培养3天后，对培养物进行搅拌去除团块，调整合适的浓度。
取48×48mm的普通纸张，两面分别喷涂实施例三至五制备的纳米复合悬浮液，阳性对照组不喷涂任何试剂，每组三张，得到实施例三至五组和阳性对照组。
将上述实施例三至五组和阳性对照组的纸张分别加入培养皿中，室温下第3分钟取出，静置1min后提取微生物。使用标准涂布平板法，以重复三次的方式执行所有的平板涂布。将细菌试验样品转移到SCDA平板并在37℃下培养3天。通过将来自无菌培养皿的等分试样平板涂布于适当的培养基，以重复三次的方式进行阴性对照测试。
微生物数量表示每个试样的微生物数量。通过实验样品处理，计算微生物的减少百分比，如下所示：R＝100(C-S)/C，其中R＝减少百分比％，C＝从阳性对照组中回收的微生物的平均数量，S＝经过所需的接触时间的暴露之后，从接种处理的实验样品中回收的微生物的平均数量。
结果如表2显示。
表2细菌检测项目比较
Figure BDA0002675180220000061
综上所述，本申请提供的技术方案本涂层可以喷涂在多种产品表面，形成独特的微纳多级复合结构，该结构能够有效地抑制病菌在该表面的吸附，保障使用人员的安全，同时形成的涂层或表面还具有耐氧化、无毒、环保和抗辐射等特性，提高产品的使用寿命。对于疫情的防治有着积极的作用。

Claims (10)

1.一种纳米纤维超疏水涂层的制备方法，其特征在于：所述的纳米纤维超疏水涂层以纳米纤维素为主体，经过硅烷化疏水处理后，与疏水高分子材料按照一定的比例在有机溶剂中混合并超声分散，最终形成纳米复合悬浮液。
2.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的纳米纤维素颗粒直径为50～100nm，长度>10μm。
3.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的疏水高分子材料是聚二甲基硅氧烷。
4.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的纳米纤维素硅烷化疏水处理的步骤是利用纳米纤维素表面的-OH基团，通过化学气相沉积法进行硅烷化改性，疏水处理后获得疏水化纳米纤维。
5.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的疏水化纳米纤维与疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷按照3:1的比例在有机溶剂中混合。
6.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的有机溶剂是乙醇。
7.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的疏水化纳米纤维与聚二甲基硅氧烷混合溶剂经过超声设备超声分散，超声分散时间3-5min。
8.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
步骤一，将纳米纤维素放入制备容器中；
步骤二，向容器中放入甲基三甲氧基硅烷2和去离子水3，其比例为纳米纤维素颗粒1：甲基三甲氧基硅烷2：去离子水3＝(1-30g)：(1-30)mL：(5-90)mL，优选10g：2mL：7mL，在室温(20-25℃)下反应约6-20min，优选12min；
步骤三，取出改性后的疏水化纳米纤维6放置在新的容器中；
步骤四，向放置疏水化纳米纤维6的容器中倒入乙醇5和疏水高分子材料聚二甲基硅氧烷4，其比例为疏水化纳米纤维：聚二甲基硅氧烷：乙醇＝(1-30)g：(1-30)g：(1-100)mL；优选3g：1g：10mL；
步骤五，使用超声设备充分分散溶剂；
步骤六，将纳米复合悬浮液7倒入密封存料桶中保存。
9.权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的纳米纤维超疏水涂层。
10.权利要求9所述的纳米纤维超疏水涂层的应用，其特征在于，将其涂覆于建筑物外墙、露天广告牌外表面、马达等微小部件外表面、汽车挡风玻璃外表面、输油(水)管道表层、医用口罩和防护服等防护用品外表面。
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