CN113999052A - 一种超疏水釉层及包含其的无机陶瓷膜、制备方法与应用 - Google Patents

一种超疏水釉层及包含其的无机陶瓷膜、制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面工程领域，公开了一种超疏水釉层及包含其的无机陶瓷膜、制备方法与应用。本发明通过形成纯无机超疏水保护涂层，不仅具有优异的疏水性能和防污染，还在霜和雪等不同气候条件下均有良好的防闪络性能；且通过本发明制备的无机超疏水涂层实现了氟化物等有害低表面能物质零添加，并通过掺杂无机非金属材料六方氮化硼/立方氮化硼使釉层耐候性、机械稳定性有了一定程度的提高；以及本发明通过模仿生物表面微观结构制备掺杂h‑BN/c‑BN的复合釉层，实现大的接触角和小的滚动角，使水珠在表面易滚落。所述无机陶瓷膜可应用于陶瓷、玻璃、金属等多种表面，且制备工艺简单，具有良好的经济效益，适于市面推广与应用。

Description

一种超疏水釉层及包含其的无机陶瓷膜、制备方法与应用
技术领域
本发明属于表面工程领域，涉及一种具有超疏水性的无机陶瓷膜，具体涉及一种超疏水釉层及包含其的无机陶瓷膜、制备方法与应用。
背景技术
冰雪等恶劣天气威胁着输电线路的安全与稳定运行，覆冰重量可导致杆塔倒塌、导线断裂等故障，融冰时更会引发绝缘子串闪络等事故，严重时甚至会造成电网瘫痪。尤其是当输电线路绝缘子串上出现覆冰后，会改变绝缘子外形结构，造成绝缘子串电位将会沿冰凌下降，极大降低了绝缘子串的闪络电压。其次，当绝缘子串上的覆冰融化，会使绝缘子串表面湿润，若融冰有污染物，将极大降低绝缘子串表面电阻，引起闪络故障，甚至事故。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种超疏水釉层及包含其的无机陶瓷膜，尤其提供一种具有超疏水性的瓷绝缘子表面釉层及其制备方法，以满足实际工作应用需求，解决现有技术的不足。
需要说明的是，超疏水涂料是一种新型材料，因具有极低的表面能或特殊的微观结构表面上的水滴容易滚动或者滑落，能极大的减少水滴停留在结构物表面的时间，降低水滴冻结在表面的几率。
本发明中h-BN呈六角环形网络、二维层状结构，其本质上是疏水的；c-BN呈四面体结构、颗粒状。通过喷涂BN在釉层中达到仿生设计，达到超疏水效果，提高绝缘子防覆冰等能力来延长服役时间。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超疏水釉层的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
按质量百分比分别称取釉料和h-BN，置于球磨罐中，随后加入粒径为1-1.4mm的氧化锆球磨珠，球磨，获得粒径为35-75μm的超疏水纳米粉末；再加入分散剂甲基纤维素和脱凝剂色氨聚磷酸钠机械混合后，得到陶瓷粉末喷涂材料；最后用喷涂法将涂料/(浆料)喷涂在Al2O3基体上，在烘箱中固化后管式炉烧结得到超疏水釉层。
优选的，所述釉料包括传统电工釉和h-BN/c-BN，且所述传统电工釉按照质量百分比计，包括：45-47wt％长石，10-12wt％石英，4-6wt％高岭土，4-6wt％石灰石，2-4wt％萤石，2-4wt％烧ZnO，9-11wt％锆英砂，10-12wt％熔块和5-7wt％烧滑石；及添加所述h-BN/c-BN占釉料和氮化硼混合粉末总质量的5wt％，且BN的平均粒径为1-5μm。
需要说明的是，BN在超疏水表面仿生结构，使釉层达到超疏水的表面粗糙结构；且本发明所述的超疏水釉层具有良好的防污、自清洁性能，在冰雪和霜等不同恶劣天气下有良好的防闪络性能。
优选的，球磨转速为400r/min，球磨时间为0.5h。
优选的，添加所述分散剂甲基纤维素和所述脱凝剂色氨聚磷酸钠占釉料和氮化硼混合粉末总质量的3wt％，及机械混合时间为1h。
优选的，所述烘箱的固化温度为60℃-70℃，固化时间为1h，及所述管式炉的烧结温度为1100℃-1300℃，烧结氛围为流速为40-60sccm的氩气，升温速率为5-10℃/min，保温30min。
优选的，采用喷涂法上釉，及所述喷涂的工艺参数为：喷嘴距基底约为15-20cm，喷涂时间2s，喷涂3次，每次时间间隔10min。
本发明还请求保护一种无机陶瓷膜，所述无机陶瓷膜包括由上述方法制备的超疏水釉层，且所述超疏水釉层的厚度为50-100μm。
此外，本发明还请求保护上述无机陶瓷膜在玻璃、金属或陶瓷的表面中的应用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种超疏水釉层及包含其的无机陶瓷膜、制备方法与应用，具有如下优异效果：
本发明通过形成纯无机超疏水保护涂层，不仅具有优异的疏水性能和防污染，还在霜和雪等不同气候条件下均有良好的防闪络性能；且通过本发明制备的无机超疏水涂层实现了氟化物等有害低表面能物质零添加，并通过掺杂无机非金属材料六方氮化硼/立方氮化硼使釉层耐候性、机械稳定性有了一定程度的提高；以及本发明通过模仿生物表面微观结构制备掺杂h-BN/c-BN的复合釉层，实现大的接触角和小的滚动角，使水珠在表面易滚落。所述无机陶瓷膜可应用于陶瓷、玻璃、金属等多种表面，且制备工艺简单，具有良好的经济效益，适于市面推广与应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为超疏水润湿模型。
图2为Solozhenko修订的氮化硼的p-T相图。
图3为掺杂h-BN釉层(a)和掺杂c-BN釉层(b)的样品微观结构表征图。
具体实施方式
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。
本发明实施例公开了一种具有超疏水性的无机陶瓷膜及其制备方法。
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步的说明。
实施例1：
本实验准备制备掺杂h-BN含量分别为0、5wt％、10wt％的超疏水釉层，除h-BN含量外其他参数保持一致。
首先分别称取2.5g釉粉；0.125g h-BN和2.375g釉粉；0.25g h-BN和2.25g釉粉。
接着采用料：球：水比为1：2：1.5，称取3.75g去离子水，5g氧化锆球磨子，再加入0.005g的甲基纤维素，0.005g色氨聚磷酸钠，用球磨罐球磨混料，球磨罐转速为400r/min，球磨时间为0.5h。
另外，把15*15*1mm的氧化铝陶瓷基片放入烧杯中，加入无水乙醇，使之浸泡其中，采用120W功率超声清洗氧化铝陶瓷基片20min，接着放入70℃烘箱烘干。
上釉采用浸涂法，浸涂10s后放入70烘箱固化3h，再次浸涂10s后放入烘箱固化，重复上釉3次。
采用马弗炉烧釉，放置样品时把样品放置在45°倾斜的平台上，升温速度10℃/min，升温至800℃，保温20min，随炉冷却至室温。
实验所得釉层中，六方氮化硼在釉层表面均匀分布，且具有一定的取向度，达到仿生荷叶纳米/微米级乳突结构即粗糙结构，获得超疏水性能(如图1所示)。
实施例2：
本实验准备制备掺杂c-BN含量分别为0、5wt％、10wt％的超疏水釉层，除c-BN含量外其他参数保持一致。
首先分别称取2.5g釉粉；0.125g c-BN和2.375g釉粉；0.25g c-BN和2.25g釉粉。
接着采用料：球：水比为1：2：1.5，称取3.75g去离子水，5g氧化锆球磨子，再加入0.005g的甲基纤维素，0.005g色氨聚磷酸钠，用球磨罐球磨混料，球磨罐转速为400r/min，球磨时间为0.5h。
另外，把15*15*1mm的氧化铝陶瓷基片放入烧杯中，加入无水乙醇，使之浸泡其中，采用120W功率超声清洗氧化铝陶瓷基片20min，接着放入70℃烘箱烘干。
上釉采用浸涂法，浸涂10s后放入70烘箱固化3h，再次浸涂10s后放入烘箱固化，重复上釉3次。
采用马弗炉烧釉，放置样品时把样品放置在45°倾斜的平台上，升温速度10℃/min，升温至800℃，保温20min，随炉冷却至室温。
实验所得釉层中，立方氮化硼在釉层表面均匀分布，立方氮化硼作为粗糙结构达到仿生荷叶纳米/微米级乳突结构，从而获得超疏水性能(如图1所示)。
实施例3：
本实验准备制备掺杂c-BN含量分别为0、5wt％、10wt％的超疏水釉层，除c-BN含量外其他参数保持一致。
首先分别称取2.5g釉粉；0.125g c-BN和2.375g釉粉；0.25g c-BN和2.25g釉粉。
接着采用料：球：水比为1：2：1.5，称取3.75g去离子水，5g氧化锆球磨子，再加入0.005g的甲基纤维素，0.005g色氨聚磷酸钠，用球磨罐球磨混料，球磨罐转速为400r/min，球磨时间为0.5h。
另外，把15*15*1mm的氧化铝陶瓷基片放入烧杯中，加入无水乙醇，使之浸泡其中，采用120W功率超声清洗氧化铝陶瓷基片20min，接着放入70℃烘箱烘干。
上釉采用喷涂法，喷嘴距基底约为15-20cm，喷涂时间2s，重复喷涂3次，每次时间间隔10min。
采用管式炉烧釉，放置样品时把样品放置在45°倾斜的平台上，烧结气氛为氩气，氩气流速为60sccm，升温速度20℃/min，烧制温度1500℃，保温30min，随炉冷却至室温。
实验所得釉层中，c-BN是h-BN的同质多晶体，具有与金刚石非常相似的晶体结构和晶格常数，在环境压力条件下在约1400℃转变为h-BN(如图2所示)。c-BN与h-BN的复合结构达到仿生葵花表面的疏水结构，以最终达到釉层疏水的目的。
本发明内容不仅限于上述各实施例的内容，其中一个或几个实施例的组合同样也可以实现本发明目的。
为了进一步验证本发明的优异效果，发明人还进行了如下实验：
本发明对所述釉层及包含其的无机陶瓷膜进行了显微结构分析(如图3所示)。图a为纯釉层显微结构图，整个平面相对光滑平整；图b为所述釉层及包含其的无机陶瓷膜的显微结构图。当氮化硼在釉层表面均匀分布时，可以达到较好的粗糙结构，且因氮化硼本身的疏水性，可促使粗糙结构中形成空气垫，以实现图1所述Cassie模型的效果，从而达到超疏水性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种超疏水釉层的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
按质量百分比分别称取釉料和h-BN，置于球磨罐中，随后加入粒径为1-1.4mm的氧化锆球磨珠，球磨，获得粒径为35-75μm的超疏水纳米粉末；再加入分散剂甲基纤维素和脱凝剂色氨聚磷酸钠机械混合后，得到陶瓷粉末喷涂材料；最后用喷涂法将涂料/(浆料)喷涂在Al2O3基体上，在烘箱中固化后管式炉烧结得到超疏水釉层。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水釉层的制备方法，其特征在于，所述釉料包括传统电工釉和h-BN/c-BN，且所述传统电工釉按照质量百分比计，包括：45-47wt％长石，10-12wt％石英，4-6wt％高岭土，4-6wt％石灰石，2-4wt％萤石，2-4wt％烧ZnO，9-11wt％锆英砂，10-12wt％熔块和5-7wt％烧滑石；及添加所述h-BN/c-BN占釉料和氮化硼混合粉末总质量的5wt％，且BN的平均粒径为1-5μm。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水釉层的制备方法，其特征在于，球磨转速为400r/min，球磨时间为0.5h。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水釉层的制备方法，其特征在于，添加所述分散剂甲基纤维素和所述脱凝剂色氨聚磷酸钠占釉料和氮化硼混合粉末总质量的3wt％，及机械混合时间为1h。
5.根据权利要求1所述的一种超疏水釉层的制备方法，其特征在于，所述烘箱的固化温度为60℃-70℃，固化时间为1h，及所述管式炉的烧结温度为1100℃-1300℃，烧结氛围为流速为40-60sccm的氩气，升温速率为5-10℃/min，保温30min。
6.根据权利要求1所述的一种超疏水釉层的制备方法，其特征在于，采用喷涂法上釉，及所述喷涂的工艺参数为：喷嘴距基底约为15-20cm，喷涂时间2s，喷涂3次，每次时间间隔10min。
7.一种无机陶瓷膜，其特征在于，所述无机陶瓷膜包括如权利要求1所述方法制备的超疏水釉层，且所述超疏水釉层的厚度为50-100μm。
8.一种如权利要求7所述无机陶瓷膜在玻璃、金属或陶瓷的表面中的应用。
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US20140165875A1 (en) * 2011-08-01 2014-06-19 Dario Chaivacci Additives for ceramic glazes
CN107814579A (zh) * 2017-10-19 2018-03-20 水利部杭州机械设计研究所 一种超疏水纳米陶瓷材料及其形成的涂层
CN108249961A (zh) * 2018-01-19 2018-07-06 段艳玲 一种基于3d打印和表面涂覆微米/纳米颗粒制备超疏水高强度陶瓷釉薄层的方法

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