CN114716882B - 一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法，取上述GNS/NH2‑MWCNT的水性分散液加入30‑50份，然后加入水性树脂30‑40份、填料1‑10份、防沉剂1‑2份、消泡剂0.5‑1份、润湿剂0.5‑1份在100‑500r/min的搅拌速度下搅拌0.5‑1.5h得到涂料。本发明采用上述结构的一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法，采用石墨烯及碳纳米管本身的疏水性质以及二者构建的微纳结构实现超疏水性能，不添加其他的疏水填料来提升疏水性能。

Description

一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水性涂料技术领域，特别是涉及一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法。
背景技术
超疏水材料由于其优异的疏水性和自清洁性被广泛的应用在防腐蚀、防结冰、防起雾、自清洁、防污等领域。目前，科学界和工业界已经针对这类涂层展开了大量的研究工作，重点聚焦于涂层的表面能、纳米级表面粗糙度、涂层厚度、力学稳定性和粘附性。表面能和纳米级表面粗糙度是涂层能否达到超疏水的重要指标。高表面能的材料与水的浸润性很强，无法形成超疏水表面，仅有低表面能的材料才能形成。但只有表面能低这一点还不足以实现超疏水性，材料表面还需具有纳米级粗糙度，两点都满足的前提下，其表面才能具有超疏水性。
石墨烯拥有极高的比表面积和非极性化学结构，经常会作为超疏水材料的原料来使用。目前，构筑石墨烯基超疏水表面的方法主要有两种，一种是在石墨烯材料表面上构建粗糙的微纳结构，另一种是在粗糙的微纳结构表面接枝低表面能物质进行改性。
碳纳米管是一种一维纳米材料，由单一碳原子纵向均一排列组成，是无机低维纳米材料中的标志性材料，有着广泛的用途。由于碳纳米管的表面能很低，因此可以用来制备超疏水表面。
目前，只是单一的采用石墨烯或者碳纳米管来散热、导电或者增加涂层粗糙度。即使石墨烯和碳纳米管共同使用也仅是物理混合，并没有从石墨烯及碳纳米管的疏水性质去发挥超疏水的性能，且超疏水的效果有限且工艺复杂，不适合进行工业化生产及应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法，采用石墨烯及碳纳米管本身的疏水性质以及二者构建的微纳结构实现超疏水性能，不添加其他的疏水填料来提升疏水性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法，各组分及其配比为：
Figure BDA0003608502770000021
优选的，GNS/NH2-MWCNT的制备方法为：
S1、将一定量带氨基的硅烷偶联剂、多乙烯基胺加入一定量的乙醇中，搅拌分散均匀得到分散液；
S2、通过喷雾的形式将上述分散液加入到一定量羧基化的多壁碳纳米管中，在80℃下加热搅拌，反应时间5-10min，获得氨基改性碳纳米管；
S3、将一定量的氨基改性碳纳米管加入到一定浓度的氧化石墨烯分散液中，在60-80℃下反应1-2h，得到GO/NH2-MWCNT；
S4、加入一定量的HI，在80℃下继续反应0.5-1h，得到GNS/NH2-MWCNT的复合物。
优选的，S1中带氨基的硅烷偶联剂、多乙烯基胺在乙醇中的质量分数为0.4％-1％，混合速度为10-50r/min。
优选的，S2中氨基改性碳纳米管的直径为10-90nm，长度为100nm-2μm，羧基含量为质量0.5-1.5％。
优选的，S3中氨基改性碳纳米管的质量浓度为0.5-2％。
优选的，S3中氧化石墨烯片径D90为8μm，层数为1-3层，碳含量43-53％，氧化石墨烯分散液浓度为0.5％-2％。
优选的，S4中HI的质量份数为0.5％-5％。
优选的，水性树脂包括丙烯酸树脂及其衍生物、氯磺化聚乙烯树脂和聚氨酯树脂中的一种或几种。
优选的，取上述GNS/NH2-MWCNT的水性分散液加入30-50份，然后加入水性树脂30-40份、填料1-10份、防沉剂1-2份、消泡剂0.5-1份、润湿剂0.5-1份在100-500r/min的搅拌速度下搅拌0.5-1.5h得到涂料。
因此，本发明采用上述结构的一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法，有益效果为：
1、本申请只采用石墨烯及碳纳米管本身的疏水性质以及二者构建的微纳结构实现超疏水性能，不添加其他的疏水填料来提升疏水性能；
2、碳纳米管在石墨烯表面复合，进一步增加石墨烯表面的疏水性能，增加石墨烯表面的粗糙度，所形成的微纳结构类似于“荷叶表面”的仿生结构，从而进一步增加涂料的疏水性能；
3、碳纳米管通过化学键固定在石墨烯表面，制备的产品可重复；
4、面内的碳纳米管可以减少石墨烯与石墨烯之间由范德华力引起的团聚，从而帮助石墨烯实现稳定的分散；
5、石墨烯边缘的碳纳米管使得石墨烯因为空间位阻变成褶皱形态等的石墨烯，进一步增加涂料的疏水性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法中石墨烯/碳纳米管的微纳结构示意图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
图1是本发明一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法中石墨烯/碳纳米管的微纳结构示意图，如图所示，一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法，各组分及其配比为：
Figure BDA0003608502770000041
GNS/NH2-MWCNT的制备方法为：
S1、将一定量带氨基的硅烷偶联剂、多乙烯基胺加入一定量的乙醇中，搅拌分散均匀得到分散液；
S2、通过喷雾的形式将上述分散液加入到一定量羧基化的多壁碳纳米管中，在80℃下加热搅拌，反应时间5-10min，获得氨基改性碳纳米管；
S3、将一定量的氨基改性碳纳米管加入到一定浓度的氧化石墨烯分散液中，在60-80℃下反应1-2h，得到GO/NH2-MWCNT；
S4、加入一定量的HI，在80℃下继续反应0.5-1h，得到GNS/NH2-MWCNT的复合物。
S1中带氨基的硅烷偶联剂、多乙烯基胺在乙醇中的质量分数为0.4％-1％，混合速度为10-50r/min。
S2中氨基改性碳纳米管的直径为10-90nm，长度为100nm-2μm，羧基含量为质量0.5-1.5％。
S3中氨基改性碳纳米管的质量浓度为0.5-2％。
S3中氧化石墨烯片径D90为8μm，层数为1-3层，碳含量43-53％，氧化石墨烯分散液浓度为0.5％-2％。
S4中HI的质量份数为0.5％-5％。
水性树脂包括丙烯酸树脂及其衍生物、氯磺化聚乙烯树脂和聚氨酯树脂中的一种或几种。
取上述GNS/NH2-MWCNT的水性分散液加入30-50份，然后加入水性树脂30-40份、填料1-10份、防沉剂1-2份、消泡剂0.5-1份、润湿剂0.5-1份在100-500r/min的搅拌速度下搅拌0.5-1.5h得到涂料。
实施例1
1、制备GNS/NH2-MWCNT：
S1、将质量分数为0.4％-1％的带氨基的硅烷偶联剂、多乙烯基胺加入一定量的乙醇中，混合速度为10-50r/min，搅拌分散均匀得到分散液；
S2、通过喷雾的形式将上述分散液加入到一定量羧基化的多壁碳纳米管中，在80℃下加热搅拌，反应时间5-10min，获得氨基改性碳纳米管；
S3、将质量浓度为0.5-2％的氨基改性碳纳米管加入到浓度为0.5％-2％的氧化石墨烯分散液中，在60-80℃下反应1-2h，得到GO/NH2-MWCNT；
Figure BDA0003608502770000061
S4、加入质量份数为0.5％-5％的HI，在80℃下继续反应0.5-1h，得到GNS/NH2-MWCNT的复合物。
2、制备涂料：
取上述GNS/NH2-MWCNT制备GNS/NH2-MWCNT水性分散液，取GNS/NH2-MWCNT水性分散液30-50份，然后加入水性树脂30-40份、填料1-10份、防沉剂1-2份、消泡剂0.5-1份、润湿剂0.5-1份在100-500r/min的搅拌速度下搅拌0.5-1.5h得到涂料。使用时多次喷涂，达到石墨烯及氨基改性碳纳米管在涂料中的二维取向，获得优异的微纳结构。
因此，本发明采用上述结构的一种碳纳米超疏水水性涂料及其制备方法，采用石墨烯及碳纳米管本身的疏水性质以及二者构建的微纳结构实现超疏水性能，不添加其他的疏水填料来提升疏水性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种碳纳米超疏水水性涂料，其特征在于：各组分及其配比为：
GNS/NH2-MWCNT水性分散液 30-50份
水性树脂 30-40份
填料 1-10份
防沉剂 1-2份
消泡剂 0.5-1份
润湿剂 0.5-1份
GNS/NH2-MWCNT水性分散液的制备方法为：
S1、将带氨基的硅烷偶联剂、多乙烯基胺加入的乙醇中，搅拌分散均匀得到分散液；
S2、通过喷雾的形式将上述分散液加入到羧基化的多壁碳纳米管中，在80℃下加热搅拌，反应时间5-10min，获得氨基改性碳纳米管；
S3、将氨基改性碳纳米管加入到氧化石墨烯分散液中，在60-80℃下反应1-2h，得到GO/NH2-MWCNT；
S4、加入HI，在80℃下继续反应0.5-1h，得到GNS/NH2-MWCNT的复合物；
S5、取上述GNS/NH2-MWCNT制备GNS/NH2-MWCNT水性分散液。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米超疏水水性涂料，其特征在于：S1中带氨基的硅烷偶联剂、多乙烯基胺在乙醇中的质量分数为0.4%-1%，混合速度为10-50r/min。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米超疏水水性涂料，其特征在于：S2中氨基改性碳纳米管的直径为10-90nm，长度为100nm-2μm，羧基含量为质量0.5-1.5%。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米超疏水水性涂料，其特征在于：S3中氨基改性碳纳米管的质量浓度为0.5-2%。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米超疏水水性涂料，其特征在于：S3中氧化石墨烯片径D90为8μm，层数为1-3层，碳含量43-53%，氧化石墨烯分散液浓度为0.5%-2%。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米超疏水水性涂料，其特征在于：S4中HI的质量份数为0.5%-5%。
7.根据权利要求1所述的一种碳纳米超疏水水性涂料，其特征在于：水性树脂包括丙烯酸树脂及其衍生物、氯磺化聚乙烯树脂和聚氨酯树脂中的一种或几种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种碳纳米超疏水水性涂料制备方法，其特征在于：取上述GNS/NH2-MWCNT水性分散液加入30-50份，然后加入水性树脂30-40份、填料1-10份、防沉剂1-2份、消泡剂0.5-1份、润湿剂0.5-1份在100-500r/min的搅拌速度下搅拌0.5-1.5h得到涂料。
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