CN114833054A - 一种超疏水涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

一种超疏水涂层及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114833054A
CN114833054A CN202210542444.2A CN202210542444A CN114833054A CN 114833054 A CN114833054 A CN 114833054A CN 202210542444 A CN202210542444 A CN 202210542444A CN 114833054 A CN114833054 A CN 114833054A
Authority
CN
China
Prior art keywords
super
solution
coupling agent
candle
hydrophobic coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210542444.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114833054B (zh
Inventor
武兴华
肖明豪
谭国煌
孟伟
林沐熹
梁鹏
邓权威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN202210542444.2A priority Critical patent/CN114833054B/zh
Publication of CN114833054A publication Critical patent/CN114833054A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114833054B publication Critical patent/CN114833054B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/24—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials for applying particular liquids or other fluent materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/36—Successively applying liquids or other fluent materials, e.g. without intermediate treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/02—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by baking
    • B05D3/0254—After-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/50—Multilayers
    • B05D7/56—Three layers or more
    • B05D7/58—No clear coat specified
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D2504/00—Epoxy polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D2508/00—Polyesters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Abstract

本发明公开了一种超疏水涂层及其制备方法与应用，涉及材料表面技术领域。超疏水涂层的制备方法如下：将基底置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成预烟灰层；将偶联剂溶液与低表面能溶液混合后，滴入预烟灰层的表面，进行半固化处理，得到半固化的复合中间层；将高分子材料溶液涂布在半固化的复合中间层的表面；将上述制得的样品置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；将样品置于50～300℃的条件下干燥0.5～3h后，在基底的表面形成超疏水涂层。本发明的制备方法，能够制得稳定性高、抗摩擦和防污防生物附着性能好的超疏水涂层，解决了现有超疏水表面稳定性差和难以实现水下实际应用的问题。

Description

一种超疏水涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及材料表面技术领域，尤其涉及一种超疏水涂层及其制备方法与应用。
背景技术
防污防生物附着是材料表面最重要的性能之一，在如船体、医疗器械、机械部件、输油管道、厨具等材料表面，若有灰尘、油污和生物污垢黏附，会对材料造成极大的影响。对于在水下运行的工业系统及长期浸泡在海中的油井钻机设施、船舶，桥墩等，由于常年浸入水中，水中的生物会附着在其表面，时间长了会形成生物膜，海中的微生物藻类等微生物会附着在水下设备的外表面，并会在水下设施外表层上增殖，严重影响其正常运行，增加水下设施的维护成本。
随着荷叶表面超疏水特性的检测和深入研究，超疏水表面在防污方面显示出对污渍、细菌、蛋白质和海洋生物的抵抗力，但细菌和海藻在超疏水表面上找不到有效的粘合点，并且在弱剪切力的作用下可以轻松去除污垢。因此，材料表面也可以在不与有害物质结合的情况下具有防污性能。然而，在自然界中的超疏水表面及人为制造的仿生超疏水表面的稳定性较差，容易磨损而散失超疏水性能，除了较为罕见的蕨类植物与蜘蛛能在较短时间内表现出水下超疏水性外，其余超疏水表面的稳定性均较差，仅能间歇性地暴露于水中，难以在水下长期使用，这些超疏水表面很难实现水下实际应用。因此，如何制备具有良好稳定性、适用性的水下超疏水表面具有重要的研究价值与意义。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种超疏水涂层的制备方法，能够制备得到稳定性高、抗摩擦和防污防生物附着性能好的超疏水涂层，解决了现有超疏水表面稳定性差，难以实现水下实际应用的问题。
本发明的另一目的在于提出一种超疏水涂层，由上述制备方法制备得到，不仅稳定性高，而且具有优异的抗摩擦和防污防生物附着性能，解决了现有超疏水表面稳定性差和难以实现水下实际应用的问题。
本发明的又一目的在于提出一种水下超疏水材料，具有不仅稳定性高，而且具有优异的耐摩擦、防腐蚀和防污染性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将基底置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成预烟灰层；
(2)将偶联剂溶液与低表面能溶液混合后，滴入烟灰层的表面，进行半固化处理，得到半固化的复合中间层；
(3)将高分子材料溶液涂布在半固化的复合中间层的表面；
(4)将步骤(3)得到的样品置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；
(5)将步骤(4)中得到的样品进行固化干燥，在基底的表面形成超疏水涂层。
进一步的，所述制备方法进行多次所述步骤(3)和所述步骤(4)的操作。
进一步的，在所述步骤(2)中，所述半固化处理的温度为30～150℃，所述半固化处理的时间为0.5～12h。
进一步的，所述步骤(3)中，所述高分子材料溶液由高分子材料和溶剂组成；
所述高分子材料为树脂类材料、环氧类材料和聚酯类材料中的任意一种或多种的组合；
所述溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃溶液、N,N-二甲基甲酰胺和二甲苯中的任意一种或多种的组合。
进一步的，所述高分子材料溶液的质量浓度为0.1g/10mL～10g/10mL。
进一步的，所述步骤(2)中，所述偶联剂溶液与所述低表面能溶液混合的体积比为(1～10)：(10～1)。
进一步的，在所述步骤(2)中，所述偶联剂溶液由偶联剂KH-550、偶联剂KH-560、偶联剂KH-570、偶联剂KH-792、偶联剂DL-602和偶联剂DL-171中的任意一种或多种偶联剂水解得到；
所述低表面能溶液中的溶质为十七氟癸基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、硬脂酸、聚二甲基硅氧烷中的任意一种。
进一步的，在所述步骤(5)中，固化干燥温度为50～300℃，时间为0.5～3h。
进一步的，所述基底的材料为金属材料、非金属材料或复合材料中的任意一种。
一种超疏水涂层，由上述的超疏水涂层的制备方法制备得到。
一种水下超疏水材料，包括基底和位于基底表面的超疏水涂层，所述超疏水涂层由上述的超疏水涂层的制备方法制备得到。
上述技术方案具有以下有益效果：
1、本技术方案所制备的超疏水涂层中，利用未固化的高分子材料包裹或半包裹蜡烛烟灰颗粒堆积结构，使二者紧密结合，松散的蜡烛烟灰因与高分子材料的结合而形成牢固的蜡烛灰碳链结构，显著提升了与颗粒结构的结合力；复合中间层中的偶联剂可使高分子材料与基底材料紧密结合，解决超疏水涂层与基底表面不亲和的问题，从而提高超疏水涂层与基底的结合力。本技术方案所制备的超疏水涂层兼具稳定性高、耐摩擦、防腐蚀与防污染的优点，不仅能应用于水上使用，同时在水下使用依然能保持优异的稳定性，将本技术方案制得的超疏水涂层置于水下时，表面沉积的高分子材料包裹半包裹着蜡烛烟灰，能有效地将液相隔绝在高分子烟灰层之外，同时，均匀覆盖的高分子烟灰层致使液-气界面的水蒸气无法渗入碳链结构间，从而有效延迟了水润湿材料表面，提高了超疏水涂层在水下的稳定性。高分子材料本身的高聚合强度、优异耐腐蚀、耐磨损等性能提高涂层的整体刚度，从而提升超疏水涂层的耐摩擦、耐冲击、耐腐蚀性能，使得超疏水涂层能够在不同场所中可以稳定存在，而且将超疏水涂层应用于水下时，能够在不同流域的层流与湍流中稳定存在。此外，本技术方案合成超疏水涂层本身的材料具有优异的防腐蚀性能，保证超疏水涂层在强酸强碱等特殊作业环境下稳定存在。
2、本技术方案超疏水涂层的制备方法简单、操作工艺稳定、投资成本低、经济效益高且易于实现工业化生产，可在各种大小和形状各异的金属基材、玻璃等表面制备此超疏水涂层。
3、本技术方案所制备的超疏水涂层，不仅可以应用于医疗器械、机械部件、输油管道、厨具等材料表面，而且有望取代污染、危害水域环境的涂料，用于减阻、防腐蚀、防污染的作业环境，能够在水下工业、航海等领域具有广泛的应用，可以延长材料的使用寿命，降低材料消耗，节约维护成本。具有良好的应用价值和经济、社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例2所制得的超疏水涂层的接触角示意图；
图2为本发明实施例2所制得的超疏水涂层表面的SEM图；
图3为本发明实施例2所制得的超疏水涂层截面的SEM图；
图4为本发明实施例2所制得的超疏水涂层摩擦试验的结果示意图；
图5为本发明实施例2所制得的超疏水涂层在13.72KPa(1.4m)静水压力下的稳定性测试结果的示意图；
图6为将实施例2所制得的超疏水涂层置于浑浊的自然水域中(20cm深)的防污性能测试结果图示。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
一种超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将基底置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成预烟灰层；
(2)将偶联剂溶液与低表面能溶液混合后，滴入烟灰层的表面，进行半固化处理，得到半固化的复合中间层；
(3)将高分子材料溶液涂布在半固化的复合中间层的表面；
(4)将步骤(3)得到的样品置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；
(5)将步骤(4)中得到的样品置于50～300℃的条件下干燥0.5～3h后，固化后，在基底的表面形成超疏水涂层。
自然界中的超疏水表面及人为制造的仿生超疏水表面的稳定性较差，容易磨损而散失超疏水性能，除了较为罕见的蕨类植物与蜘蛛能在较短时间内表现出水下超疏水性外，其余超疏水表面的稳定性均较差，仅能间歇性地暴露于水中，难以在水下长期使用，这些超疏水表面很难实现水下实际应用。因此，如何制备具有良好稳定性、适用性的水下超疏水表面具有重要的研究价值与意义。
本技术方案的制备方法通过先在基底的表面进行蜡烛烟灰沉积，获得预烟灰层，然后将偶联剂溶液与低表面能溶液混合后的混合液，滴入烟灰层的表面，进行半固化处理后，再将高分子材料溶液涂布在半固化的复合中间层的表面，最后将样品置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，干燥后形成超疏水涂层，本技术方案的超疏水涂层利用高分子材料包裹或半包裹蜡烛烟灰颗粒堆积结构，使高分子材料和蜡烛烟灰紧密结合，松散的蜡烛烟灰因与高分子材料的结合而形成牢固的蜡烛灰碳链结构，显著提升了与颗粒结构的结合力。同时，半固化的复合中间层中的偶联剂可使高分子材料与基底材料紧密结合，解决了高分子材料与基底材料表面不亲和的问题，从而提高高分子材料与基底的结合力。而且，本技术方案所制备的超疏水涂层兼具稳定性高、耐摩擦、防腐蚀与防污染的优点，不仅能应用于水上使用，同时在深水下使用依然能保持优异的稳定性，将本技术方案制得的超疏水涂层置于水下时，表面沉积的高分子材料包裹或半包裹着蜡烛烟灰，能有效地将液相隔绝在高分子烟灰层之外，同时，均匀覆盖的高分子烟灰层致使液-气界面的水蒸气无法渗入碳链结构间，从而有效延迟了水润湿材料表面，提高了涂层的水下稳定性，由于高分子材料自身的高聚合强度、优异耐腐蚀、耐磨损等性能，提高了超疏水涂层的整体刚度，从而提升超疏水涂层的耐摩擦、耐冲击、耐腐蚀性能，使得超疏水涂层能够在不同场所中可以稳定存在，而且将超疏水涂层应用于水下时，能够在不同流域的层流与湍流中稳定存在。此外，本技术方案合成的超疏水涂层自身的材料具有优异的防腐蚀性能，能够保证超疏水涂层在强酸强碱等特殊作业环境下稳定存在。
进一步是说明，蜡烛不完全燃烧时产生的蜡烛烟灰具有微纳米级的尺度和低表面能，使得蜡烛烟灰具有超疏水性能，同时本技术方案采用高分子材料加固蜡烛烟灰的纳米结构，从而获得超疏水涂层。同时，本方案的制备方法简单、操作工艺稳定、投资成本低、经济效益高且易于实现工业化生产，适用于各种大小、形状和材质的基底的表面，所制得的超疏水涂层的水接触角可高达160°～170°，同时滚动角低于10°。此外，所制备的超疏水涂层表现出良好的耐摩擦性能、水下稳定性及防污性能，不仅可以应用于医疗器械、机械部件、输油管道、厨具等材料表面，适用于减阻、防腐蚀、防污染的作业环境，同时，本技术方案制得的超疏水涂层在水下的稳定性高，有望取代水下工业、航海等领域中污染、危害水域环境的涂料，在水下工业、航海等领域具有广泛的应用，可以延长材料的使用寿命，降低材料消耗，节约维护成本，具有良好的应用价值和经济、社会效益。
具体来说，步骤(1)通过将基底置于距离蜡烛火焰顶点上方一定距离处，先进行蜡烛烟灰沉积，使得基底表面具有微纳结构，能增强复合中间层和基底的结合力，使超疏水涂层能够更牢固的粘附在基底的表面，耐磨损性能增加，且不易脱落。
具体来说，在步骤(1)进行行蜡烛烟灰沉积前，先将基底的表面的杂质去除，以增加超疏水涂层和基底层的结合力。在步骤(3)中，高分子材料溶液的涂布操作包括滴涂、旋涂、喷涂、刷子刷和喷洒中的任意一种。
值得说明的是，在步骤(1)和步骤(4)中，蜡烛烟灰沉积过程为：将基底置于距离蜡烛火焰顶点0.5～3cm处进行蜡烛烟灰沉积，沉积时间40～300s。
进一步的说明，所述制备方法进行多次所述步骤(3)和所述步骤(4)的操作。
值得说明的是，本技术方案通过多次进行步骤(3)和步骤(4)的操作，使得高分子材料和蜡烛烟灰所形成的复合疏水涂层的厚度增加，相对于只进行一次涂覆高分子材料和蜡烛烟灰沉积，进行多次所述步骤(3)和所述步骤(4)的操作，可增加材料超疏水涂层在水下作业时，耐摩擦性能、水下稳定性、防腐蚀和防污性能。
值得指出的是，由于本技术方案是多次重复涂布高分子材料和进行蜡烛烟灰沉积，使得沉积在基底表面的蜡烛烟灰颗粒均能被高分子材料包裹或半包裹着，高分子材料和蜡烛烟灰颗粒紧密结合，松散的蜡烛烟灰因与高分子材料的结合而形成牢固的蜡烛灰碳链结构，显著提升蜡烛烟灰的结合力，在作业过程中特别是在水下作业过程中，可避免蜡烛烟灰脱落，从而能显著提高超疏水涂层水下实际应用中的稳定性、耐摩擦性能和防污性能，使得本技术方案中的超疏水涂层能在水下长期使用，解决了现有的超疏水表面难以实现水下实际应用和长期使用的问题。若本技术方案仅是通过分别增加步骤(3)中高分子材料溶液涂布的厚度，和步骤(4)中蜡烛烟灰沉积的厚度的方法来增加高分子烟灰层的厚度，则制备得到的高分子烟灰层中高分子材料位于底部，而蜡烛烟灰位于顶部，位于顶部的蜡烛烟灰不能被高分子材料包裹或半包裹，会导致位于顶部的蜡烛烟灰，在作业时，特别是在水下作业时，极易脱落，从而导致超疏水涂层的稳定性、耐摩擦性能和防污性能大大下降，甚至会散失防污性能。
进一步的说明，在所述步骤(2)中，所述半固化处理的温度为50～150℃，所述半固化处理的时间为0.5～12h。
具体来说，在步骤(2)中，通过在50～150℃的温度下，对偶联剂溶液与低表面能溶液混合后的混合液进行半固化处理，使得复合中间层处于半固化的状态，此时偶联剂和高分子材料结合，通过偶联剂使得高分子材料与基底材料紧密结合，解决超疏水涂层与基底的表面不亲和的问题，从而提高超疏水涂层与基底的结合力，从而进一步提高超疏水涂层的水下稳定性。若半固化处理的温度过高或时间过长，容易导致复合中间层完全固化，会降低高分子烟灰层和和基底的结合力，导致涂层在水下作业容易脱落，从而影响超疏水涂层的稳定性和使用寿命；若半固化处理的温度过低或时间过短，或者不进行半固化处理，复合中间层和高分子烟灰层容易相互交融而迁移，会降低超疏水涂层的耐摩擦性能、水下稳定性及防污性能。
进一步的说明，所述步骤(3)中，所述高分子材料溶液由高分子材料和溶剂组成；
所述高分子材料为树脂类材料、环氧类材料和聚酯类材料中的任意一种或多种的组合；
所述溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃溶液、N,N-二甲基甲酰胺和二甲苯中的任意一种或多种的组合。
值得说明的是，树脂类材料、环氧类材料和聚酯类材料的高分子材料具有高聚合强度、优异耐腐蚀和耐磨损等性能，能够提高超疏水涂层的整体刚度，从而提升超疏水涂层的耐摩擦、耐冲击、耐腐蚀性能，使得超疏水涂层在不同工作环境中均可以稳定存在，同时在应用于水下环境时，在不同流域的层流与不同湍流中均可以稳定存在。
优选的，高分子材料为聚酯、热塑性聚氨酯、聚氨酯中的任意一种或多种的组合。
进一步的说明，所述高分子材料溶液的质量浓度为0.1g/10mL～10g/10mL。
值得说明的是，当高分子材料溶液的质量浓度为0.1g/10mL～10g/10mL时，超疏水涂层的耐摩擦性能、水下稳定性及防污性能较佳。若高分子材料溶液的质量浓度低于0.1g/10mL，高分子材料溶液中高分子材料的含量较少，会使得超疏水涂层的耐摩擦性能、水下稳定性大大下降，且此时，高分子材料难以包裹或半包裹蜡烛烟灰颗粒，使得超疏水涂层的防污性能也会有所下降；若高分子材料溶液的质量浓度高于10g/10mL，高分子材料溶液较粘稠，会致使蜡烛烟灰颗粒能以渗入高分子材料溶液中，不能被高分子材料包裹或半包裹，也会导致超疏水涂层的防污防生物附着性能也会有所下降。
进一步的说明，所述步骤(2)中，所述偶联剂溶液与所述低表面能溶液混合的体积比为(1～10)：(1～10)。
进一步的说明，在所述步骤(2)中，所述偶联剂溶液由偶联剂KH-550、偶联剂KH-560、偶联剂KH-570、偶联剂KH-792、偶联剂DL-602和偶联剂DL-171中的任意一种或多种的偶联剂水解得到；
所述低表面能溶液中的溶质为十七氟癸基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、硬脂酸、聚二甲基硅氧烷中的任意一种或多种。
进一步的说明，所述基底的材料为金属材料、非金属材料或复合材料中的任意一种。
本技术方案的制备方法简单、操作工艺稳定、投资成本低、经济效益高且易于实现工业化生产，可在各种大小、形状和材料的基底表面制备超疏水涂层，适用范围广。
一种超疏水涂层，由上述的超疏水涂层的制备方法制备得到。
本技术方案所制备的超疏水涂层，不仅可以在水上使用，如可以应用在医疗器械、机械部件、输油管道和厨具等材料表面，同时可以在水下使用，如应用于水下工业、航海等领域，均具有优异的抗摩擦、防污防和防生物附着性能，有望取代会污染和危害水域环境的涂料，适用于减阻、防腐蚀、防污染的作业环境，同时在水下工业、航海等领域具有广泛的应用，可以延长基底材料的使用寿命，降低基底材料消耗，节约维护成本，具有良好的应用价值、经济效益和社会效益。
一种水下超疏水材料，包括基底和位于基底表面的超疏水涂层，超疏水涂层由上述的超疏水涂层的制备方法制备得到。
下面结合实施例进一步阐述本发明的技术方案。
实施例1
一种超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备低表面能溶液、偶联剂溶液和高分子材料溶液：将聚二甲基硅氧烷溶于正庚烷溶液中，搅拌得到低表面能溶液；将偶联剂KH-570混合在乙醇溶液中，用去离子水水解，使用醋酸对混合后的溶液进行PH调节，直至PH为4，将所得溶液持续搅拌一小时，得到偶联剂溶液；取10ml四氢呋喃(THF)溶液，称量0.1g热塑性聚氨酯粉末溶入该溶液中，持续搅拌，得到高分子材料溶液；
将基底(铝片)剪裁好清洗备用，点燃一支蜡烛，待蜡烛火焰稳定后，将铝片放置在蜡烛上方0.5cm处的中间火焰位置并来回移动(在同一水平面上)，沉积40s，以获得厚度均匀的预烟灰层；
(2)取偶联剂溶液与低表面能溶液混合均匀(混合的体积比10：1)，将混合后的溶液缓慢滴入预烟灰层的表面，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到半固化的复合中间层；
(3)将高分子材料溶液刷涂在半固化的复合中间层上；
(4)将步骤(3)喷涂后的样品放置在蜡烛上方0.5cm处的中间火焰位置沉积40s，重复喷涂高分子材料溶液并进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；
(5)将步骤(4)中得到的样品放置在180℃的烘箱中干燥1h，干燥结束后，在基底的表面形成超疏水涂层，在高速水流下清洗超疏水涂层，易脱落的蜡烛烟灰颗粒(未被热塑性聚氨酯粉末牢牢固定的蜡烛烟灰颗粒)被水流带走，剩余的颗粒牢固地结合在基底上，得到超疏水材料。
实施例2
(1)制备低表面能溶液、偶联剂溶液和高分子材料溶液：将十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液溶于乙醇溶液中，用去离子水水解，并搅拌24小时，得到低表面能溶液；将偶联剂KH-560混合在乙醇溶液中，用去离子水水解，使用醋酸对混合后的溶液进行PH调节，直至PH为4，将所得溶液持续搅拌一小时，得到偶联剂溶液；取5ml四氢呋喃(THF)溶液和5ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合均匀，称量5g聚酯粉末溶入该混合溶液中，持续搅拌，得到高分子材料溶液；
将基底(玻璃)清洗备用，点燃一支蜡烛，待蜡烛火焰稳定后，将玻璃放置在蜡烛上方2cm处的中间火焰位置并来回移动(在同一水平面上)，沉积120s，以获得厚度均匀的预烟灰层；
(2)取偶联剂溶液与低表面能溶液混合均匀(混合的体积比10：1.67)，将混合后的溶液缓慢滴入预烟灰层的表面，然后在50℃的烘箱中干燥12h，得到半固化的复合中间层；
(3)将高分子材料溶液刷涂在半固化的复合中间层上；
(4)将步骤(3)喷涂后的样品放置在蜡烛上方2cm处的中间火焰位置沉积120s，重复喷涂高分子材料溶液并进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；
(5)将步骤(4)中得到的样品放置在300℃的烘箱中干燥0.5h，干燥结束后，在基底的表面形成超疏水涂层，在高速水流下清洗超疏水涂层，易脱落的蜡烛烟灰颗粒被水流带走，剩余的颗粒牢固地结合在基底上，得到超疏水材料。
实施例3
(1)制备低表面能溶液、偶联剂溶液和高分子材料溶液：将十七氟癸基三乙氧基硅烷溶液溶于乙醇溶液中，用去离子水水解，并搅拌24小时，得到低表面能溶液；将偶联剂KH-550混合在乙醇溶液中，用去离子水水解，使用醋酸对混合后的溶液进行PH调节，直至PH为4，将所得溶液持续搅拌一小时，得到偶联剂溶液；取10ml二甲苯溶液，称量5g聚酯粉末和5g聚氨酯粉末溶入该溶液中，持续搅拌，得到高分子材料溶液；
将基底(铜片)剪裁好清洗备用，点燃一支蜡烛，待蜡烛火焰稳定后，将铜片放置在蜡烛上方3cm处的中间火焰位置并来回移动(在同一水平面上)，沉积300s，以获得厚度均匀的预烟灰层；
(2)将偶联剂溶液与低表面能溶液混合均匀(混合的体积比1：10)，将混合后的溶液缓慢滴入预烟灰层的表面，然后在70℃的烘箱中干燥9h，得到半固化的复合中间层；
(3)将高分子材料溶液刷涂在半固化的复合中间层上；
(4)将步骤(3)喷涂后的样品放置在蜡烛上方3cm处的中间火焰位置沉积300s，重复喷涂高分子材料溶液并进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；
(5)将步骤(4)中得到的样品放置在50℃的烘箱中干燥3h，干燥结束后，在基底的表面形成超疏水涂层，在高速水流下清洗超疏水涂层，易脱落的蜡烛烟灰颗粒被水流带走，剩余的颗粒牢固地结合在基底上，得到超疏水材料。
实施例4
(1)制备低表面能溶液、偶联剂溶液和高分子材料溶液：将硬脂酸粉末溶于乙醇溶液中，搅拌得到低表面能溶液；将偶联剂KH-560混合在乙醇溶液中，用去离子水水解，使用醋酸对混合后的溶液进行PH调节，直至PH为4，将所得溶液持续搅拌一小时，得到偶联剂溶液；取10ml DMF溶液与10ml二甲苯溶液混合，称量2g聚氨酯粉末溶入该混合溶液中，持续搅拌，得到高分子材料溶液；
将基底(钢片)剪裁好清洗备用，点燃一支蜡烛，待蜡烛火焰稳定后，将钢片放置在蜡烛上方2.5cm处的中间火焰位置并来回移动(在同一水平面上)，沉积150s，以获得厚度均匀的预烟灰层；
(2)取偶联剂溶液与低表面能溶液混合均匀(混合的体积比为1：1)，将混合后的溶液缓慢滴入预烟灰层的表面，然后在150℃的烘箱中干燥0.5h，得到半固化的复合中间层；
(3)将高分子材料溶液刷涂在半固化的复合中间层上；
(4)将步骤(3)喷涂后的样品放置在蜡烛上方2.5cm处的中间火焰位置沉积150s，重复喷涂高分子材料溶液并进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；
(5)将步骤(4)中得到的样品放置在200℃的烘箱中干燥1h，干燥结束后，在基底的表面形成超疏水涂层，在高速水流下清洗超疏水涂层，易脱落的蜡烛烟灰颗粒被水流带走，剩余的颗粒牢固地结合在基底上，得到超疏水材料。
具体的，检测实施例2制备得到的超疏水涂层的表面的接触角、SEM图和截面SEM图，检测结果如图1-3所示，并对实施例2制备得到的超疏水涂层进行摩擦试验、稳定性测试和防污性能测试，测试结果如图4-6所示。
从图1的超疏水涂层的表面的接触角示意图可以看出，超疏水涂层的表面的接触角可达到163°，具有超疏水性能。
图2和图3分别为实施例2所制得的超疏水涂层的表面的SEM图与截面的SEM图，由图2和图3可看出，聚酯粉末与KH-560固化在玻璃基底上方难以分辨(图3)，基底表层弥散分布的固化聚酯粉末呈锯齿状，为碳链(蜡烛烟灰)的嵌入提供了有利形貌，可观察到蜡烛烟灰牢牢的嵌入聚酯粉末固化层中(图2)，聚酯粉末与蜡烛烟灰之间的固化结合使松散的蜡烛烟灰紧密的黏附团聚，取代了原本的范德华力，增强了碳纳米颗粒(蜡烛烟灰)在表面上的稳定性，聚酯粉末散乱分布在基底与蜡烛烟灰之间，并不会影响蜡烛烟灰的粗糙结构。
图4为使用400目数砂纸对实施例2所制得的超疏水材料(样品)的表面进行摩擦试验的效果图，使用100g的加载重量来测试样品，20cm的距离定义为一个摩擦周期，对于单一的蜡烛灰沉积表面，它只能在1个循环内保持其超疏水性，高加载压力导致表面抗润湿性能急剧下降，而对于本实施例中固化聚酯粉末强化结合力的超疏水涂层，它在12次循环后仍能保持其超疏水性，表明耐磨性有很大的提高。
图5为实施例2所制得的超疏水涂层在13.72KPa(1.4m)静水压力下的稳定性测试结果图，由图5可看出，在13.72KPa的静水压力下，涂层表面仍可保持超疏水特性近27天，远高于自然界中的超疏水表面及绝大多数人为制造的仿生超疏水表面，具有极佳的水下稳定性。
图6为将实施例2所制得的超疏水涂层置于浑浊的自然水域中(20cm深)的防污性能测试结果图，由图6可看出，在浸泡于自然水域时，材料表面不可避免的附生青苔，造成材料污染，对比于空白玻璃表面，本实施例的超疏水涂层有效延迟了青苔滋生，至28天超疏水涂层表面才缓慢开始滋生青苔，防污效果明显优于本领域的其它超疏水涂层。
以上结合具体实施例描述了本发明技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将基底置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成预烟灰层；
(2)将偶联剂溶液与低表面能溶液混合后，滴入烟灰层的表面，进行半固化处理，得到半固化的复合中间层；
(3)将高分子材料溶液涂布在半固化的复合中间层的表面；
(4)将步骤(3)得到的样品置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛烟灰沉积，形成高分子烟灰层；
(5)将步骤(4)中得到的样品进行固化干燥，在基底的表面形成超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法进行多次所述步骤(3)和所述步骤(4)的操作。
3.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述半固化处理的温度为50～150℃，所述半固化处理的时间为0.5～12h。
4.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述高分子材料溶液由高分子材料和溶剂组成；
所述高分子材料为树脂类材料、环氧类材料和聚酯类材料中的任意一种或多种的组合；
所述溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃溶液、N,N-二甲基甲酰胺和二甲苯中的任意一种或多种的组合；
所述高分子材料溶液的质量浓度为0.1g/10mL～10g/10mL。
5.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述偶联剂溶液由偶联剂KH-550、偶联剂KH-560、偶联剂KH-570、偶联剂KH-792、偶联剂DL-602和偶联剂DL-171中的任意一种或多种的偶联剂水解得到；
所述低表面能溶液中的溶质为十七氟癸基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、硬脂酸、聚二甲基硅氧烷中的任意一种或多种。
6.根据权利要求5所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述偶联剂溶液与所述低表面能溶液混合的体积比为(1～10)：(1～10)。
7.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，固化干燥温度为50～300℃，时间为0.5～3h。
8.根据权利要求1所述的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，所述基底的材料为金属材料、非金属材料或复合材料中的任意一种。
9.一种超疏水涂层，其特征在于，由权利要求1-8任意一项所述的超疏水涂层的制备方法制备得到。
10.一种超疏水材料，其特征在于，包括基底和位于基底表面的超疏水涂层，所述超疏水涂层由权利要求1-9任意一项所述的超疏水涂层的制备方法制备得到。
CN202210542444.2A 2022-05-18 2022-05-18 一种超疏水涂层及其制备方法与应用 Active CN114833054B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210542444.2A CN114833054B (zh) 2022-05-18 2022-05-18 一种超疏水涂层及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210542444.2A CN114833054B (zh) 2022-05-18 2022-05-18 一种超疏水涂层及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114833054A true CN114833054A (zh) 2022-08-02
CN114833054B CN114833054B (zh) 2023-01-03

Family

ID=82570591

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210542444.2A Active CN114833054B (zh) 2022-05-18 2022-05-18 一种超疏水涂层及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114833054B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115534427A (zh) * 2022-09-21 2022-12-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种农业用超疏水光热薄膜及制备方法和应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2015679A1 (en) * 1989-04-28 1990-10-28 Takashige Maekawa Water and oil repellent composition
WO2007126432A1 (en) * 2006-03-27 2007-11-08 Georgia Tech Research Corporation Superhydrophobic surface and method for forming same
CN103433188A (zh) * 2013-08-28 2013-12-11 奇瑞汽车股份有限公司 一种用于汽车车身表面的易清洁疏水膜层的制备方法
CN105499092A (zh) * 2015-11-30 2016-04-20 东南大学 一种透明超双疏表面层及层层原位喷涂反应制备法
CN106883650A (zh) * 2017-04-21 2017-06-23 黑龙江凯恩琪新材料科技有限公司 一种可持久抗结冰的超疏水涂层的制备方法
CN106893454A (zh) * 2017-04-21 2017-06-27 黑龙江凯恩琪新材料科技有限公司 一种可喷涂且耐久的超双疏涂层的制备方法
CN113652125A (zh) * 2021-09-08 2021-11-16 东北石油大学 一种微纳结构修复型超疏水涂层及其制备方法
CN114082624A (zh) * 2021-11-22 2022-02-25 江苏科技大学 一种耐久性超疏水蜡烛烟灰涂层及制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2015679A1 (en) * 1989-04-28 1990-10-28 Takashige Maekawa Water and oil repellent composition
WO2007126432A1 (en) * 2006-03-27 2007-11-08 Georgia Tech Research Corporation Superhydrophobic surface and method for forming same
CN103433188A (zh) * 2013-08-28 2013-12-11 奇瑞汽车股份有限公司 一种用于汽车车身表面的易清洁疏水膜层的制备方法
CN105499092A (zh) * 2015-11-30 2016-04-20 东南大学 一种透明超双疏表面层及层层原位喷涂反应制备法
CN106883650A (zh) * 2017-04-21 2017-06-23 黑龙江凯恩琪新材料科技有限公司 一种可持久抗结冰的超疏水涂层的制备方法
CN106893454A (zh) * 2017-04-21 2017-06-27 黑龙江凯恩琪新材料科技有限公司 一种可喷涂且耐久的超双疏涂层的制备方法
CN113652125A (zh) * 2021-09-08 2021-11-16 东北石油大学 一种微纳结构修复型超疏水涂层及其制备方法
CN114082624A (zh) * 2021-11-22 2022-02-25 江苏科技大学 一种耐久性超疏水蜡烛烟灰涂层及制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIANGDE LIN等: "Mechanically durable superhydrophobic PDMS-candle soot composite coatings with high biocompatibility", 《JOURNAL OF INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY》 *
王鹏伟等: "仿生多尺度超浸润界面材料", 《物理学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115534427A (zh) * 2022-09-21 2022-12-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种农业用超疏水光热薄膜及制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN114833054B (zh) 2023-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108003753B (zh) 一种自清洁超疏水长效防腐涂层及其制备方法
CN108504284B (zh) 一种纳米超疏水材料的制备方法
CN108441085B (zh) 一种水性超双疏长效防腐涂层及其制备方法
He et al. Superhydrophobic films with enhanced corrosion resistance and self-cleaning performance on an Al alloy
Zheng et al. Facile fabrication of robust, biomimetic and superhydrophobic polymer/graphene-based coatings with self-cleaning, oil-water separation, anti-icing and corrosion resistance properties
Liu et al. Corrosion protection of silane coatings modified by carbon nanotubes on stainless steel
Zhang et al. Robust, scalable and fluorine-free superhydrophobic anti-corrosion coating with shielding functions in marine submerged and atmospheric zones
CN107814579B (zh) 一种超疏水纳米陶瓷材料及其形成的涂层
CN111019485B (zh) 一种耐摩擦的防覆冰涂层的制备方法
CN114833054B (zh) 一种超疏水涂层及其制备方法与应用
Xia et al. Underwater superoleophobic composite coating characteristic of durable antifouling and anticorrosion properties in marine environment
Xu et al. Fabrication of repairable superhydrophobic surface and improved anticorrosion performance based on zinc-rich coating
CN107150020A (zh) 一种高附着力耐磨耐温超双疏自清洁表面涂层及其制备方法
Zhou et al. Rational design of self-cleaning superhydrophobic coating with outstanding abrasion resistance and weatherability: Towards highly efficient oil-water separation and anti-corrosion application
Lu et al. Preparation and analysis of multi-scale colored superhydrophobic coatings with excellent mechanical strength and self-cleaning properties
Liu et al. Attapulgite-based superhydrophobic coating on aluminum alloy substrate with self-cleaning, anti-corrosion and robustness
Ansari et al. A one step self-cleaning surface with robust superhydrophobic and photocatalytic properties: Electrostatic sprayed fluorinated ethylene propylene mixed with nano TiO2–SiO2 particles
CN111848959A (zh) 一种苯并噁嗪改性有机硅树脂及其制备方法与应用
Zheng et al. Heating repairable superamphiphobic coatings for long-lasting antifouling application
Li et al. Bioinspired coating based on fluid: Electrochemical fabrication and corrosion protection for steel
CN114752236B (zh) 一种高反射耐磨超疏水涂层及其制备方法
CN114656864B (zh) 一种超疏水镁合金涂料及其工艺
CN116179068A (zh) 基于有机/无机粒子复合制备的耐摩擦型聚氨酯超疏水涂料、涂层、方法和应用
CN115521670A (zh) 一种常温固化超疏水氟碳树脂涂层及其制备方法
CN115354259A (zh) 一种防腐防污功能一体化的铁基非晶复合涂层和制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant