CN114058227A - 一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法 - Google Patents

一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，采取简易共混喷涂工艺制备超疏水防覆冰涂层，具体是将碳纳米管、疏水纳米二氧化硅、树脂粘结剂、硅烷偶联剂和溶剂共混得到的纳米粒子复合悬浮液喷涂至基材表面，后经干燥固化得到涂层。本发明涂层具有光热效应、持久性好、耐摩擦、附着力强、重复使用率高、使用寿命长和环保等特点，具有快速光热除冰的效果，实现了耐磨超疏水涂层表面主动光热除冰与被动防覆冰相结合，有利于实现表面快速远程除冰，制备过程不使用含氟试剂，工艺简单，成本低廉，环境友好，适合大规模生产应用，对提高超疏水涂层的抗冰性能具有重要的意义。

Description

一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，具体属于防覆冰涂料技术领域。
背景技术
超疏水材料定义为表面接触角大于150°、滚动角小于10°的材料。构建超疏水材料的两大关键因素分别是微纳米粗糙结构与低表面能物质，因其在自清洁、油水分离、防覆冰等领域被大量使用而被人们所熟知。其制备方法主要有等离子刻蚀法、相分离法、层层自组装法、平版印刷法、化学气相沉淀法、溶液浸泡法以及溶胶凝胶法等。机械耐久性是超疏水涂层需要主要克服的缺点，目前大部分耐磨超疏水涂层要么只能在同一基材上使用，要么满足耐磨条件，但是表面超疏水功能不均匀，且更有可能添加难以降解的氟类偶联剂作为疏水改性剂，从而对环境造成危害。
严重的冰雪灾害往往给人类生活带来许多不便之处，甚至造成巨大的经济损失。传统的除冰方式主要为高耗能的主动除冰方式，如机械除冰和电加热除冰等。超疏水防覆冰涂料被认为是理想的被动防覆冰材料，但是在结冰/除冰过程中超疏水的机械耐久性易变差。现有的防覆冰材料存在着制备过程复杂、功能单一、难以大规模生产应用等不足。喷涂技术相较于刻蚀法、模板法、溶液浸泡法以及电化学法等制备超疏水涂层的方法，具有明显的技术优势。喷涂技术不需要昂贵的模具制造费用，生产效率高，尤其适用于大面积、异形物体的处理。有鉴于此，本发明在耐磨超疏水的基础上，将主动除冰与被动防冰相结合，通过简易共混喷涂方法制备超疏水防覆冰涂层，不仅更具耐磨性，可以经受住200g重压下在800目砂纸上磨损200 cm而不失超疏水性，且制备过程不含氟，更具环境保护性，在满足涂层耐磨性能同时，兼顾环境友好，且还具有低成本，多基材实用性的特点，对提高超疏水涂层的抗冰性能具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动光热除冰的耐磨超疏水防覆冰涂料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种具有光热效应的无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法采取简易共混喷涂工艺制备超疏水防覆冰涂层，具体包括以下步骤：
步骤1：将树脂粘结剂与溶剂超声共混30-60min，得到树脂混合溶液；其中树脂粘结剂和溶剂的质量比为3-10∶100；
步骤2：将碳纳米管和粒径为7-40nm的疏水纳米二氧化硅按照比例分散于树脂混合液中，超声搅拌30-60min后，再加入硅烷偶联剂，继续超声搅拌30-60min，得到纳米粒子复合悬浮液；其中，碳纳米管、纳米二氧化硅、硅烷偶联剂和树脂混合液的质量比为0.1-0.5∶1-10∶0.02-0.2∶100；
步骤3：将纳米粒子复合悬浮液喷涂至打磨、清洗预处理好的基材表面，然后经干燥固化，得到无氟耐磨超疏水防覆冰涂层。
所述的树脂粘结剂为热塑性树脂丙烯酸酯共聚物。
所述溶剂是无水乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种或多种。
所述的碳纳米管为多壁碳纳米管。
所述的纳米粒子复合悬浮液的喷涂工艺为：喷涂用喷嘴口径1.2 mm，喷涂压力0.3-1 Mpa，喷嘴与基材距离10-20 cm。
所述的基材为高分子聚合物、金属、玻璃、硅片、石材或纸板。
所述的干燥固化的时间为室温固化一天或80℃烘箱干燥2h。
本发明防覆冰涂层的性能测试条件：
向所得涂层表面滴加去离子水，放置在低温恒温箱中，控制温度为-30~-20℃，记录水滴结冰所需时间；待涂层完全结冰后，在恒温箱中用功率为2.5 W cm-2、波长为700-1100 nm的近红外激光照射冰颗粒，使其融化，并记录冰颗粒完全融化所需时间。
本发明的有益效果：本发明无氟耐磨超疏水防覆冰涂层具有光热效应、持久性好、耐摩擦、附着力强、重复使用率高、使用寿命长和环保等特点，即可以经受住200g重压下在800目砂纸上磨损200cm而不失超疏水性，而且在近红外激光(700-1100nm)照射下可以快速产热，达到快速光热除冰的效果，实现了耐磨超疏水涂层表面主动光热除冰与被动防覆冰相结合，有利于实现表面快速远程除冰。本发明制备过程不使用含氟试剂，工艺简单，成本低廉，对环境友好，适合大规模生产应用，对提高超疏水涂层的抗冰性能具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例1防覆冰涂层的超疏水效果图；
图2为本发明实施例1防覆冰涂层的快速光热除冰效果图；
图3为本发明实施例1防覆冰涂层在808 nm近红外激光照射下升温曲线图；
图4为本发明实施例1防覆冰涂层耐磨循环测试图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行了进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
第一步，将铝片基材用800#砂纸单向打磨，再用乙醇超声清洗30min。第二步，将1g丙烯酸树脂共聚物加至20g乙醇溶剂中，超声震荡30min，形成树脂混合溶液。第三步，再将0.6g疏水纳米二氧化硅与0.04g多壁碳纳米管加至树脂混合溶液中，超声震荡30min，将0.1g十六烷基三甲氧基硅烷加入纳米粒子树脂混合液中，超声震荡30min，形成纳米粒子和树脂共混液。第四步，将共混液加至喷枪中，喷嘴和铝基体的距离为15cm，喷枪口径为1.2mm，控制喷涂压力为0.8Mpa，垂直喷在铝基材上，室温下自然晾干一天等待完全固化，即可在铝表面得到具有主动光热除冰效果的耐磨超疏水防覆冰涂层。所得涂层的水滴静态接触角如图1所示为157 °，滚动角为6 °，达到了超疏水效果。第五步，向涂层滴加去离子水后放置在-20 °C的低温恒温箱中测试其结冰所需时间。第六步，待其完全结冰后用波长为808nm的近红外激光照射冰晶颗粒记录完全融化所需时间。
对比样：第一步，将铝片基材用800#砂纸单向打磨，再用去离子水和乙醇依次超声清洗30 min。第二步，向其滴加去离子水，测试静态接触角为77 °，再将其放置在-20 °C的低温恒温箱中测试其结冰所需时间。第三步，待其完全结冰后用波长为808 nm的近红外激光照射冰颗粒记录完全融化所需时间，如图2所示。
如图2、图3所示，结果显示，在近红外激光照射下，该图层的温度迅速升高，不规则椭球形冰颗粒在约26s时完全融化成液态水，体现了优异的光热抗冰和除冰效果。如图2所示，对比样铝片在近红外激光照射120s下才完全融冰，而实施例1超疏水涂层由于添加了光热纳米粒子，在近红外激光下，该涂层的温度迅速升高，椭球形冰颗粒在被激光照射1s时就开始融冰，在26s时就完全融化成了液滴，实现快速融冰效果，体现了优异的光热抗冰和除冰效果。
如图3所示，实施例1超疏水涂层在近红外激光下照射300s，温度可升高到90.5℃，而对比样铝片在近红外激光下照射300s，温度没有多大波动，基本维持在室温左右。二者最高温差相差72.5℃，证实出实施例1超疏水涂层具有优异的光热转换性能。
如图4所示，实施例1超疏水涂层在200g压力下，可进行10次磨损循环而不失超疏水性，共计行程为200cm。显示出涂层具有一定的耐磨性。
实施例2
第一步，将玻璃基材用去离子水和乙醇依次超声清洗30min。第二步，将1g丙烯酸树脂共聚物加至20g丙酮溶剂中，超声震荡30min，形成树脂混合溶液。第三步，再将0.6g疏水纳米二氧化硅与0.01g多壁碳纳米管加至树脂混合溶液中，超声震荡30min，将0.1g十六烷基三甲氧基硅烷加入纳米粒子树脂混合液中，超声震荡30min，形成纳米粒子和树脂共混液。第四步，将共混液加至喷枪中，垂直喷在玻璃基材上，放至烘箱80 °C保温2h等待完全固化，喷嘴和玻璃基体的距离为15cm，喷枪口径为1.2mm，控制喷涂压力为0.5Mpa。即可在玻璃基材表面得到具有主动光热除冰效果的耐磨超疏水防覆冰涂层。第五步，向涂层滴加去离子水后放置在-30 °C的低温恒温箱中测试其结冰所需时间。第六步，待其完全结冰后用波长为808 nm的近红外激光照射冰晶颗粒记录完全融化所需时间。
实施例3
第一步，将铁片基材用砂纸单向打磨后用乙醇超声清洗30min。第二步，将1g聚氨酯丙烯酸树脂共聚物加至20g丙酮溶剂中，超声震荡30min，形成树脂混合溶液。第三步，再将0.8g疏水纳米二氧化硅与0.05g多壁碳纳米管加至树脂混合溶液中，超声震荡30min，将0.1g十六烷基三甲氧基硅烷加入纳米粒子树脂混合液中，超声震荡30min，形成纳米粒子和树脂共混液。第四步，将共混液加至喷枪中，垂直喷在铁基材上，放至烘箱80 °C保温两小时等待完全固化，喷嘴和铁基体的距离为15cm，喷枪口径为1.2mm，控制喷涂压力为0.5Mpa。即可在玻璃基材表面得到具有主动光热除冰效果的耐磨超疏水防覆冰涂层。第五步，向涂层滴加去离子水后放置在-20 °C的低温恒温箱中测试其结冰所需时间。第六步，待其完全结冰后用波长为808 nm的近红外激光照射冰晶颗粒记录完全融化所需时间。

Claims (7)

1.一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述的制备方法采取简易共混喷涂工艺制备超疏水防覆冰涂层，具体包括以下步骤：
步骤1：将树脂粘结剂与溶剂超声共混30-60min，得到树脂混合溶液；其中树脂粘结剂和溶剂的质量比为3-10∶100；
步骤2：将碳纳米管和粒径为7-40nm的疏水纳米二氧化硅按照比例分散于树脂混合液中，超声搅拌30-60min后，再加入硅烷偶联剂，继续超声搅拌30-60min，得到纳米粒子复合悬浮液；其中，碳纳米管、纳米二氧化硅、硅烷偶联剂和树脂混合液的质量比为0.1-0.5∶1-10∶0.02-0.2∶100；
步骤3：将纳米粒子复合悬浮液喷涂至打磨、清洗预处理好的基材表面，然后经干燥固化，得到无氟耐磨超疏水防覆冰涂层。
2.根据权利要求1所述的一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述的树脂粘结剂为热塑性树脂丙烯酸酯共聚物。
3.根据权利要求1所述的一种具有光热效应的无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述溶剂是无水乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管为多壁碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述的纳米粒子复合悬浮液的喷涂工艺为：喷涂用喷嘴口径1.2 mm，喷涂压力0.3-1 Mpa，喷嘴与基材距离10-20 cm。
6.根据权利要求1所述的一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述的基材为高分子聚合物、金属、玻璃、硅片、石材或纸板。
7.根据权利要求1所述的一种具有光热效应无氟耐磨超疏水防覆冰涂层的制备方法，其特征在于：所述的干燥固化的时间为室温固化一天或80℃烘箱干燥2h。
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