CN113173805A - 在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，将微米陶瓷粉和水混合后，加入分散剂充分搅拌制成浆料，将浆料喷涂在陶瓷釉面上，将陶瓷釉面在900~1250℃温度下进行烧制，使陶瓷釉面上形成微米乳突结构并经羟基化处理，再将有机质、乙醇与水按比例混合，再在混合液中加入3~10 wt%的纳米陶瓷颗粒进行充分混合，配制成疏水涂料，将疏水涂料喷涂在经过羟基化处理后的陶瓷釉面上，陶瓷釉面上形成有荷叶仿生疏水微纳乳突结构。本发明利用釉面上微纳米乳突结构具有高的疏水性和自清洁性，不仅可显著地提高釉面的防污性能，且可大大降低人工和材料成本，减少资金投入，提高电瓷和墙面瓷砖的使用安全性。

Description

在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法
技术领域
本发明涉及陶瓷釉料制备技术领域，特别是涉及在陶瓷基釉面上构建荷叶仿生疏水微纳乳突结构的工艺方法。
背景技术
釉料的防污性是评价釉料质量与品质的一项重要指标。釉的防污性差，则污垢容易残留在釉面上，不仅影响了陶瓷的观赏性，也导致了产品的使用效能降低、使用寿命缩短。
例如：电瓷（瓷绝缘子）釉料的防污性差，在雨、雾、露等潮湿环境下，电瓷釉的表面附着的污渍物中的可溶物质会逐渐溶于水，从而在其釉表面会形成一层导电膜，在电力场作用下出现强烈的放电现象（闪络），易造成电力系统出现故障、甚至会发生供电线路瘫痪，不仅给国民经济生产造成严重的损失，而且影响我国高性能电瓷在国际电瓷市场的份额。
墙面瓷砖釉料的防污性差，其表面在高湿，低温等条件下容易吸潮，使得吸水量突增，导致釉层酥松脱皮，装饰抹灰起壳脱落等现象。在有外装饰的房屋建筑酥松脱皮之后，其装饰物会大块剥落。不仅严重影响建筑外立面美观，降低了房屋建筑的结构强度，也易形成高空坠物伤人的安全隐患。
针对上述问题，特别是在提高架空线路瓷绝缘子防污性能上，现有技术中采取的方法虽然有人工清理的，也的机械或自动化清理的，也有化学清理的，但提高防污性能的效果不大明显，且耗费的人力、财力多，清理麻烦又不安全。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种能使釉面上形成具有陶瓷基荷叶仿生自清洁的微纳乳突结构，利用釉面上微纳米乳突结构具有高的疏水性和自清洁性，不仅可显著地提高釉面的防污性能，而且可大大降低人工工时和材料成本，减少资金投入，提高电瓷和墙面瓷砖的使用安全性。
本发明要解决的技术问题所采取的工艺方法是：在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，它通过以下方法步骤：
a、将微米陶瓷粉和水混合后，加入分散剂，并充分搅拌制成浆料，
b、将浆料喷涂在陶瓷釉面上，然后将陶瓷釉面在900~1250℃温度下进行烧制，使陶瓷釉面上形成微米乳突结构，
c、将步骤b所得到的具有微米乳突结构的陶瓷釉面进行表面羟基化处理，
d、将疏水有机质、乙醇与水按比例混合，再在混合液中加入3~10 wt%的纳米陶瓷颗粒进行充分混合，配制成疏水涂料，
e、将步骤d得到的疏水涂料喷涂在步骤c经过羟基化处理后的陶瓷釉面上，固化后，所述釉面上形成有陶瓷其荷叶仿生疏水微纳乳突结构。
进一步地，所述陶瓷主要为电瓷（瓷绝缘子）或墙面瓷砖，所述陶瓷釉面用长石、石英和粘土为主要原料和其它（如烧滑石、方解石、氧化锌等）辅料和水混合配制而成。
进一步地，所述羟基化处理是：将表面具有微纳乳突结构的陶瓷基釉面在1wt%的盐酸中浸渍30~80min后,再将其置于120℃~150℃温度下干燥，然后再将其放在水溶液中浸泡、提取并放在室温下风干后，再置于湿度为45-55%的恒温恒湿箱中，在25~35℃的温度下处理。
本发明先将微米陶瓷粉和水混合后，加入分散剂，并充分搅拌制成浆料，利用分散原理，使凝聚的微米级陶瓷颗粒表面易于湿润，从而在微米级颗陶瓷粒的表面形成吸附层，使其表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒间的反作用力，实现颗粒的分散。最终达到固液悬浮体中的微米级陶瓷颗粒稳定分散于介质中的目的。再通过陶瓷基釉面加热到900~1250℃，使微米级陶瓷颗粒和陶瓷釉面之间发生一系列物理和化学的变化（即固液烧结反应），把微米级陶瓷颗粒烧结在釉质表层，并经羟基化处理后，将疏水有机质、乙醇、水和纳米陶瓷颗粒混合形成的疏水涂料进行喷涂，使具有微米级陶瓷颗粒的釉面上形成有纳米陶瓷颗粒层，经固化后形成微纳乳突结构的荷叶仿生陶瓷釉面。
本发明能使釉面上形成具有陶瓷基荷叶仿生自清洁的微纳乳突结构，利用釉面上微纳米乳突结构具有高的疏水性和自清洁性，不仅可显著地提高釉面的防污性能，而且可大大降低人工工时和材料成本，减少资金投入，提高电瓷和墙面瓷砖的使用安全性。
附图说明
图1是四种不同状态下釉面上乳突结构的显微放大示意图。
具体实施方式
为了解决传统陶瓷釉料防污能力差的问题，本申请经广泛而又深入的研究，并不限于任何理论地发现，通过调整烧制温度，可以调节乳突结构的高度；再通过改变微米陶瓷颗粒种类，可以改变乳突结构的形状；通过调整疏水涂料中疏水有机质、乙醇与水的比例，可以改变材料的比表面能；基于此，本发明提供了一种在陶瓷釉面上构建荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，通过上述三个方面协同控制陶瓷釉料的疏水性，以获得具有超疏水性的陶瓷釉料，该方法包括具体的方法步骤内容：
（1）选择一种陶瓷釉为基底，釉面烧成温度在900~1250℃范围内都可适用。例如烧结温度为1250℃、配方为釉面配方为长石60g、石英12.7g、硅酸锆4.5g、烧滑石8.1g、高岭土5.6g、方解石6.8g、氧化锌2.3g的陶瓷釉，
（2）将微米陶瓷粉和水以体积比例10:90~25:75进行混合，加入分散剂后，充分搅拌制成浆料。通过冷喷涂技术将浆料喷涂在陶瓷基釉面上。喷涂浆料后在1000~1250℃以下的温度下进行保温烧制，再将烧制后的陶瓷基釉面采用酸蚀、高温干燥和湿空气恒温等方法对釉面进行表面羟基化处理，得到表面羟基化的具有荷叶微米乳突结构的陶瓷基釉面。
（3）将疏水有机质、乙醇与水以0.5:7.5:2~0.5:9:0.5的比例进行配比混合，再添加上述混合物3~10 wt%的纳米陶瓷颗粒进行充分混合，配制成疏水涂料。通过冷喷涂技术将疏水涂料喷涂在具有荷叶微米乳突结构的仿生陶瓷基釉面上，固化后得到具有荷叶微纳乳突结构的仿生陶瓷基釉面。
需要说明的是，本发明所采用的原料均可以采用工业级产品，除非有特殊说明，本发明所采用的原料均是陶瓷制备及相关领域的常规原料，本领域技术人员可以通过商业途径购得。
较佳地，在本发明的一些具体实施方式中，步骤（2）中浆料中，分散剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，分散剂用量为0.1%~0.5%。微米陶瓷粉为氧化铝、氧化锆、高岭土、硅酸锆、羟基磷灰石、莫来石或废瓷粉等一种或多种组合高温稳定陶瓷材料。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤（2）中的喷涂技术包括：浆料是喷涂在已烧制的釉层表面，喷涂压力为0.5~0.8MPa，喷口直径为0.5~0.7mm，喷涂距离为10~12mm，微米陶瓷粉分布密度是通过喷涂时长来控制，喷涂时长为2~7s。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤（2）中所述浆料为25±5μm的陶瓷颗粒（例如废瓷粉、氧化铝、硅酸锆等）化成浓度为50-100g/L的悬浊液。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤（2）中喷涂浆料后的烧制温度为：900~1250℃保温20~60min。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤（2）中的羟基化处理为：将表面具有荷叶乳突结构的陶瓷基釉面放在1wt%的盐酸中浸渍30~80min,再置于120℃~150℃温度下干燥，然后在水溶液中浸泡30min,室温下风干0.5h后置于湿度为45-55%的恒温恒湿箱中,在25~35℃的温度下处理12h,得到表面羟基化的具有荷叶微米乳突结构的陶瓷基釉面。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤（3）中的疏水涂料中：将四种物料在配置完成后，采用超声搅拌1 h使涂料充分混合均匀。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤（3）中的疏水涂料的冷喷涂技术：将疏水涂料倒入喷枪液壶至壶体3/4处，喷涂气压为 0.3~0.5 MPa,喷枪口直径为 0.5~0.7mm，喷枪与样品表面距离为8~10cm，喷涂厚度通过喷涂时长来控制，喷涂时长为2~6s。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤（3）中的固化技术：将喷涂好的陶瓷釉样品在室温下放置 24~48 h 实现干燥固化。固化后，得到具有荷叶仿生微纳乳突结构的陶瓷釉面。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，需要说明的是，以下各实施例所用的各原料及相关设备，除非有特殊说明，均可以通过商业途径获得。
一种在陶瓷釉面上构建荷叶仿生微纳乳突结构的方法的几种实施例：
实施例1，如图1中的(a)图状态所示，
选择一种陶瓷基釉面为基底，釉面烧结温度为1050℃、釉面配方为长石70g、石英6.9g、硅酸锆0.2g、烧滑石8.9g、高岭土5.4g、方解石5.9g、氧化锌2.7g和适量水混合制成的陶瓷釉料。
将微米氧化铝和水以体积比例15:75进行混合，加入该混合物重量0.5%的聚乙烯醇（分散剂）后，充分搅拌制成浆料。
将所述浆料搅拌至均匀浑浊状态，再倒入喷枪液壶，使用喷涂压力为0.7MPa，喷口直径为0.6mm的喷枪在距离陶瓷基釉表面为10mm处喷涂为5s。
将所述喷涂了浆料的陶瓷基釉面在900℃温度下进行烧制，将表面具有荷叶乳突结构的陶瓷釉面在1wt%的盐酸中浸渍80min,再置于150℃温度下干燥，然后在在水溶液中浸泡30min,室温下风干0.5h后置于湿度为55%的恒温恒湿箱中,在35℃的温度下处理12h,得到表面羟基化的具有荷叶微米乳突结构的陶瓷釉面。
将疏水有机质、乙醇与水以0.5:7.5:2的比例进行配比，再在上述三种物混合物中添加3wt%的纳米陶瓷颗粒进行采用超声搅拌1 h使涂料充分混合均匀，制得疏水涂料。
将所述疏水涂料搅拌至均匀浑浊状态，倒入喷枪液壶至壶体3/4处，使用喷涂气压为 0.3 MPa,喷枪口直径为 0.5mm的喷枪在与样品表面距离为10cm处喷涂6s。再将喷涂好的陶瓷釉样品在室温下放置 48h 实现干燥固化，固化后得到具有荷叶微纳乳突结构的仿生陶瓷釉面,其接触角为130°，滚动角为4.5°，釉面乳突结构如图1a所示。耐磨测试（1200目砂纸打磨20次）后釉面接触角为100.3°，滚动角为24°，疏水性能与自清洁性能远高于传统釉面，表明陶瓷乳突结构对疏水涂料起到良好的保护作用。
实施例2，如图1中的(b)图状态所示，
选择一种陶瓷基釉面为基底，釉面烧结温度为1150℃、釉面用配方为长石65.5g、石英10.7g、硅酸锆2.4g、烧滑石9.2g、高岭土3.8g、方解石5.9g、氧化锌2.5g和适量水混合制成陶瓷基釉面。
将微米高岭土和水以体积比例20:85进行混合，再在上述混合物中加入0.2%的聚乙烯醇（分散剂）后，充分搅拌制成浆料。
将所述浆料搅拌至均匀浑浊状态，再倒入喷枪液壶，使用喷涂压力为0.7MPa，喷口直径为0.7mm的喷枪在距离陶瓷釉表面为10mm处喷涂为7s。
将所述喷涂了浆料的陶瓷釉面在1000℃温度下进行烧制，将表面具有荷叶乳突结构的陶瓷釉面在1wt.%的盐酸中浸渍30min,再置于150℃温度下干燥，然后在在水溶液中浸泡30min,室温下风干0.5h后置于湿度为55%的恒温恒湿箱中,在35℃的温度下处理12h,得到表面羟基化的具有荷叶微米乳突结构的陶瓷釉面。
将疏水有机质、乙醇与水以0.5:8:1.5料充分混合均匀，再在上述三种物混合物中添加5wt%的纳米陶瓷颗制得疏水涂料。
将所述疏水涂料搅拌至均匀浑浊状态，倒入喷枪液壶至壶体3/4处，使用喷涂气压为 0.3MPa,喷枪口直径为 0.5mm的喷枪在与样品表面距离为8cm处喷涂5s。再将喷涂好的陶瓷釉样品在室温下放置 36h 实现干燥固化，固化后得到具有荷叶微纳乳突结构的仿生陶瓷釉面,其接触角为120°，滚动角为6°，釉面乳突结构如图1b所示。耐磨测试后釉面接触角为93.3°，滚动角为23°，疏水性能与自清洁性能远高于传统釉面。
实施例3, 如图1中的(c)图状态所示，
选择一种陶瓷基釉面为基底，釉面烧结温度为1250℃、釉面配方为长石60g、石英12.7g、硅酸锆4.5g、烧滑石8.1g、高岭土5.6g、方解石6.8g、氧化锌2.3g与适量水混合制成的陶瓷基釉料。
将微米氧化铝片和水以体积比例14:80进行混合，加入0.4%的聚乙二醇（分散剂）后，充分搅拌制成浆料。
将所述浆料搅拌至均匀浑浊状态，再倒入喷枪液壶，使用喷涂压力为0.5MPa，喷口直径为0.7mm的喷枪在距离陶瓷釉表面为10mm处喷涂为2s。
将所述喷涂了浆料的陶瓷釉在1100℃温度下进行烧制，将表面具有荷叶乳突结构的陶瓷釉面在1wt.%的盐酸中浸渍30min,再置于120℃温度下干燥，然后在在水溶液中浸泡30min,室温下风干0.5h后置于湿度为45%的恒温恒湿箱中,在25℃的温度下处理12h,得到表面羟基化的具有荷叶微米乳突结构的陶瓷釉面。
将疏水有机质、乙醇与水以0.5:7.5:2的比例进行配比，再添加10wt%的纳米陶瓷颗粒进行采用超声搅拌1 h使涂料充分混合均匀，制得疏水涂料。
将所述疏水涂料搅拌至均匀浑浊状态，倒入喷枪液壶至壶体3/4处，使用喷涂气压为 0.5 MPa,喷枪口直径为 0.7mm的喷枪在与样品表面距离为9cm处喷涂2s。再将喷涂好的陶瓷釉样品在室温下放置 24 h 实现干燥固化，固化后得到具有荷叶微纳乳突结构的仿生陶瓷釉面,其接触角为126°，滚动角为5°，釉面乳突结构如图1c所示。耐磨测试后釉面接触角为100.4°，滚动角为21.6°，疏水性能与自清洁性能远高于传统釉面。
实施例4, 如图1中的(d)图状态所示，
选择一种陶瓷基釉面为基底，釉面烧结温度为1350℃、釉面用长石50g、石英16.7g、硅酸锆6.8g、烧滑石8.9g、高岭土7.8g、方解石5.8g、氧化锌2g和氧化钙2g及水（适量）混合制成陶瓷釉。
将微米陶瓷粉和水以体积比例25:90进行混合，再加入混合物重量0.1%的聚乙烯醇（分散剂）后，充分搅拌制成浆料。
将所述浆料搅拌至均匀浑浊状态，再倒入喷枪液壶，使用喷涂压力为0.8MPa，喷口直径为0.5mm的喷枪在距离陶瓷釉表面为12mm处喷涂为5s。
将所述喷涂了浆料的陶瓷釉在1250℃以下的温度下进行烧制，将表面具有荷叶乳突结构的陶瓷釉面在1wt.%的盐酸中浸渍50min,再置于120℃温度下干燥，然后在在水溶液中浸泡30min，室温下风干0.5h后置于湿度为45%的恒温恒湿箱中,在25℃的温度下处理12h，得到表面羟基化的具有荷叶微米乳突结构的陶瓷釉面。
将疏水有机质、乙醇与水以0.5:7.8:1.2的比例进行配比，再添加上述三种混合物7wt%的纳米陶瓷颗粒进行采用超声搅拌1 h使涂料充分混合均匀，制得疏水涂料。
将所述疏水涂料搅拌至均匀浑浊状态，倒入喷枪液壶至壶体3/4处，使用喷涂气压为 0.5 MPa,喷枪口直径为 0.7mm的喷枪在与样品表面距离为8cm处喷涂6s。再将喷涂好的陶瓷釉样品在室温下放置 48 h 实现干燥固化，固化后得到具有荷叶微纳乳突结构的仿生陶瓷釉面,其接触角为106°，滚动角为10°，釉面乳突结构如图1d所示。耐磨测试后釉面接触角为96.6°，滚动角为20.8°，疏水性能与自清洁性能远高于传统釉面。
表一：不同方法制备的荷叶微纳乳突结构的仿生陶瓷釉面的性能表
Figure 535900DEST_PATH_IMAGE001
从表中的数据可以看出，应用本发明提供的一种在陶瓷基釉面上构建荷叶仿生微纳乳突结构的方法制备的陶瓷基釉面具有高接触角，低滚动角，且耐磨测试后疏水性和自清洁性能远高于普通陶瓷等优点。进一步地，可以看出，当微米陶瓷颗粒种类为氧化铝，烧制温度为1050℃时，其疏水性和自清洁性能更佳，如图1a所示。
以上对本发明所提供的一种在陶瓷釉面上构建荷叶仿生微纳乳突结构的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其中心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护。

Claims (8)

1.在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，其特征在于：它包括以下方法步骤：
a、将微米陶瓷粉和水混合后，加入分散剂，并充分搅拌制成浆料，
b、将浆料喷涂在陶瓷釉面上，然后将陶瓷釉面在900~1250℃温度下进行烧制，使陶瓷釉面上形成微米乳突结构，
c、将步骤b所得到的具有微米乳突结构的陶瓷釉面进行表面羟基化处理，
d、将疏水有机质、乙醇与水按比例混合，再在混合液中加入3~10 wt%的纳米陶瓷颗粒进行充分混合，配制成疏水涂料，
e、将步骤d得到的疏水涂料喷涂在步骤c经过羟基化处理后的陶瓷釉面上，固化后，所述釉面上形成有陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构。
2.根据权利要求1所述的在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，其特征在于：所述陶瓷主要为电瓷和墙面瓷砖，所述陶瓷釉面用长石、石英和粘土为主要原料和辅料和水混合配制而成。
3.根据权利要求1所述的在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳结构的方法，其特征在于：所述羟基化处理是：将表面具有微纳乳突结构的陶瓷釉面在1wt%的盐酸中浸渍30~80min后,再将其置于120℃~150℃温度下干燥，然后再将其放在水溶液中浸泡、提出在室温下风干后，再置于湿度为45-55%的恒温恒湿箱中，在25~35℃的温度下处理。
4.根据权利要求1所述的在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，其特征在于：所述浆料喷涂是在在已烧制的陶瓷釉面，采用喷涂压力为0.5~0.8MPa，喷口直径为0.5~0.7mm，喷涂距离为10~12mm，微米，喷涂时间为2~7s进行喷涂。
5.根据权利要求1所述的在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，其特征在于：将疏水涂料倒入喷枪液壶至壶体3/4处，喷涂气压为 0.3~0.5 MPa,喷枪口直径为 0.5~0.7mm，喷枪与样品表面距离为8~10cm，喷涂时间为2~6s。
6.根据权利要求1所述的在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，其特征在于：所述步骤d中的疏水涂料中：将四种物料在配置完成后，采用超声搅拌1 h，使涂料充分混合均匀。
7.根据权利要求1所述的在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，分散剂用量为微米陶瓷粉和水混合重量的0.1%~0.5%。
8.根据权利要求1所述的在釉面上构建陶瓷基荷叶仿生疏水微纳乳突结构的方法，其特征在于：所述微米陶瓷粉为氧化铝、氧化锆、氧化硅、硅酸锆、羟基磷灰石或莫来石中的一种或多种混合的高温稳定陶瓷材料粉。
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