CN114907741A - 一种环保疏水纳米涂料及其制备方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涂料领域，尤其涉及一种环保疏水纳米涂料及其制备方法和使用方法。所述纳米涂料的组分包括：酚醛树脂：20‑35份、纳米粉体：5‑10份、氧基硅烷聚合物：5‑15份和溶剂：50‑100份。在固化过程中，溶剂一部分散失，纳米粉体及交联聚合物嵌于溶剂散失造成的多孔结构中，形成的膜层结构具有优异的阻隔性，可以降低机械磨损，减轻了受到的物理摩擦，避免基材裸露，失去防护作用的情况发生，在使用多次后，疏水性能仍十分优异。
Description
技术领域
本发明属于涂料领域，尤其涉及一种环保疏水纳米涂料及其制备方法和使用方法。
背景技术
木材、金属和塑料表面容易沾上各种灰尘，如工业管道、风扇扇叶或通风管道等。在一些管道或大型器械设备内，灰尘难以清洗，而且灰尘长时间附着在木材、金属和塑料表面后，即使将设备拆开清洗，也很难完全清洗木材、金属和塑料表面的灰尘。
疏水涂层中，水滴在与表面碰撞后能够沿着表面自由滚动。使疏水涂层在日常生活与工业中具有巨大的应用前景，如自清洁、防腐蚀、抗菌、防覆冰、防雾等。疏水涂层使用的次数的增加，涂层会因受到物理摩擦，化学腐蚀被破坏，导致涂层的性能降低，疏水疏油的能力大幅减弱甚至完全丧失
如何得到一种疏水且环保的涂料来实现涂层的自清洁功能是研究的重点方向。
发明内容
本申请提供了一种环保疏水纳米涂料及其制备方法和使用方法，以解决涂层疏水性能佳且不沾尘的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种环保疏水纳米涂料，所述纳米涂料的组分包括：酚醛树脂：20-35份、纳米粉体：5-10份、氧基硅烷聚合物：5-15份和溶剂：50-100份。
可选的，所述纳米涂料的组分还包括：分散剂：0.5-1份、流平剂：1-2份、纳米硅溶胶：5-10份和造孔剂：1-15份。
可选的，所述溶剂包括乙醇、丙醇、异丙醇和乙酸乙酯中至少一种。
可选的，所述纳米粉体的平均粒径≤40纳米。
第二方面，本申请提供了所述的纳米涂料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将酚醛树脂、纳米粉体、氧基硅烷聚合物在溶剂中混合，得到混合树脂溶液；
将所述混合树脂溶液中加入所述纳米涂料的余下组分，得到目标纳米涂料。
第三方面，本申请提供了所述的纳米涂料的使用方法，所述方法包括：
将纳米涂料涂覆待处理基体并进行梯度升温至第一目标温度，得到中间体；
将所述中间体升温至第二目标温度，并进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
可选的，所述第一目标温度为80-100℃。
可选的，所述第二目标温度为90-100℃。
可选的，所述固化烘干的温度为100-120℃。
第四方面，一种环保疏水纳米涂层，通过第一方面所述的环保疏水纳米涂料制备而成。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的纳米涂料的组分包括：酚醛树脂：20-35份、纳米粉体：5-10份、氧基硅烷聚合物：5-15份和溶剂：50-100份；酚醛树脂提供的交联位点，氧基硅烷聚合物提供了大量的交联位点，且氧基硅烷聚合物的链段灵活性较好，易迁移到涂料表面形成低表面能的聚合物刷，提高涂层的疏水疏油性。当纳米涂料固化成为涂层时，通过多官能反应，高度交联，形成致密的网络交联结构，从而使得涂层具有高疏水性的特点；在固化过程中，溶剂一部分散失，纳米粉体及交联聚合物嵌于溶剂散失造成的多孔结构中，形成的膜层结构具有优异的阻隔性，可以降低机械磨损，减轻了受到的物理摩擦，避免基材裸露，失去防护作用的情况发生，在使用多次后，疏水性能仍十分优异。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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的介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种环保疏水纳米涂料制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种环保疏水纳米涂料使用方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。例如，室温可以是指10～35℃区间内的温度。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种环保疏水纳米涂料，所述纳米涂料的组分包括：酚醛树脂：20-35份、纳米粉体：5-10份、氧基硅烷聚合物：5-15份和溶剂：50-100份。
具体地，酚醛树脂可以使用山东旭杰化工的水溶性酚醛树脂，氧基硅烷聚合物可以使用是全氟聚醚官能的三甲氧基硅烷(CAS号：870998-78-0)或三甲氧基硅烷聚合物。
本申请实施例中，纳米涂料中的交联聚合物形成快速且均匀，收缩率低，使纳米涂料制得的涂层表面微观结构均匀平整。
在一些实施方式中，所述纳米涂料的组分还包括：分散剂：0.5-1份、流平剂：1-2份、纳米硅溶胶：5-10份和造孔剂：1-15份。
本申请的涂料组分避免涉及任何有毒溶剂，经济环保，可大幅度降低涂料成本，且在运输及储藏方面还具备很大的优势，拓展了其应用场景。
在一些实施方式中，所述溶剂包括乙醇、丙醇、异丙醇和乙酸乙酯中至少一种。
上述溶剂具有溶解性强且环保的特性，将酚醛树脂、纳米粉体和氧基硅烷聚合物：放入上述溶剂中，能够加快溶解速度，提高制备涂料的效率；同时，固化烘干后期，溶剂散失带来的多孔结构使涂层具有更好的使用后抗物理摩擦性能。
在一些实施方式中，所述纳米粉体的平均粒径≤40纳米。
本申请的纳米涂料，纳米粉体的平均粒径≤40纳米，可以是涂料涂覆于基材表面具有良好的平整性，降低了物理摩擦，避免涂层表面的不平处，另外，粒径≤40纳米，可以提高通过该涂料制备的涂层的耐磨性；经打磨后，仍具有较平整的外观，如粒径大于40纳米，涂层外观较差，影响疏水性能；经打磨100次后滚动角依旧小于10°，具有良好的疏水性能。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了所述的纳米涂料的制备方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1.将酚醛树脂、纳米粉体、氧基硅烷聚合物在溶剂中混合，得到混合树脂溶液；
S2.将所述混合树脂溶液中加入所述纳米涂料的余下组分，得到目标纳米涂料。
通过S1中溶液进行反应，可以增加酚醛树脂、纳米粉体、氧基硅烷聚合物的接触概率，提高反应速率和反应效率。可以理解的是，溶剂为能够抑制水解反应的溶剂；S2中，加入所述纳米涂料的余下组分，是在酚醛树脂、纳米粉体、氧基硅烷聚合物充分混合均匀，没有被水解的情况下进行的。
具体地，将可溶酚醛树脂型酚醛树脂与醇类化合物在有机溶剂中反应以制备烷氧基化可溶酚醛树脂型酚醛树脂，除去有机溶剂后制得酚醛树脂。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了所述的纳米涂料的使用方法，如图2所示所述方法包括：
S10.将纳米涂料涂覆待处理基体并进行梯度升温至第一目标温度，得到中间体；
S20.将所述中间体升温至第二目标温度，并进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
进行梯度升温可以进行分步聚合，同时在聚合后提供新的交联位点，提高聚合度，从而使涂料在固化形成涂层后，提高涂层的疏水疏油性；固化烘干可以提高反应整体的温度，提高交联度和优化涂层性能，升温至第二目标温度，可以在增加原料的基础上，进一步促进反应的进行。经由该涂料制备的涂层为多孔状，经摩擦后，疏水性能仍十分优异。
在一些实施方式中，所述第一目标温度为80-100℃。
控制第一目标温度为80-100℃的原因是，可以提高酚醛树脂、纳米粉体、氧基硅烷聚合物进行反应的效率，可以形成更多的聚合物基团，可以提高涂料的性能和涂料的产量。
在一些实施方式中，所述第二目标温度为90-100℃。
控制第二目标温度为90-100℃的原因在于：是纳米粉体透过孔隙结构，使纳米粉体及交联聚合物嵌于溶剂散失造成的多孔结构中，形成的独特膜层结构。并具有优异的阻隔性。优选的，所述第一目标温度小于所述第二目标温度。
在一些实施方式中，所述固化烘干的温度为100-120℃。
控制固化烘干的温度为100-120℃，可以保证涂层的固化效果，固化烘干温度影响涂层的疏水性能。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种环保疏水纳米涂层，通过第一方面所述的环保疏水纳米涂料制备而成。
具体地，可以通过旋涂法、淋涂法、浸涂法和喷涂法中的任意一种方法，将上述纳米涂料涂覆在基材表面。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的方法进行详细说明。
实施例1
本申请实施例提供了一种环保疏水纳米涂料，所述纳米涂料的组分包括：酚醛树脂：20-35份、纳米粉体：5-10份、氧基硅烷聚合物：5-15份、溶剂：50-100份、分散剂：0.5-1份、流平剂：1-2份、纳米硅溶胶：5-10份和造孔剂：1-15份。所述溶剂包括乙醇、丙醇、异丙醇和乙酸乙酯中至少一种；所述纳米粉体的平均粒径≤40纳米。
所述的纳米涂料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1.将酚醛树脂、纳米粉体、氧基硅烷聚合物在溶剂中混合，得到混合树脂溶液；
S2.将所述混合树脂溶液中加入所述纳米涂料的余下组分，得到目标纳米涂料。
本申请提供了所述的纳米涂料的使用方法，所述方法包括：
S10.将纳米涂料涂覆待处理基体并进行梯度升温至第一目标温度，得到中间体；
S20.将所述中间体升温至第二目标温度，并进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
所述第一目标温度为80-100℃。所述第二目标温度为90-100℃。所述固化烘干的温度为100-120℃。
具体包括：
将25酚醛树脂、8份纳米粉体、10份氧基硅烷聚合物在丙醇溶剂中混合，得到混合树脂溶液；将所述混合树脂溶液加入所述纳米涂料的余下组分，连续机械搅拌12-48 h，得到目标纳米涂料；将纳米涂料进行梯度升温至第一目标温度88℃，得到中间体；将所述中间体与所述纳米涂料的余下组分：分散剂：0.8份、流平剂：1.5份、纳米硅溶胶：7份和造孔剂：6份混合，升温至第二目标温度98℃，在110℃进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
实施例2
本实施例与实施例1的差别之处在于：将30酚醛树脂、6份纳米粉体、13份氧基硅烷聚合物在乙醇溶剂中混合，得到混合树脂溶液；将所述混合树脂溶液加入所述纳米涂料的余下组分，连续机械搅拌12-48 h，得到目标纳米涂料；将纳米涂料进行梯度升温至第一目标温度85℃，得到中间体；将所述中间体与所述纳米涂料的余下组分：分散剂：0.6份、流平剂：1.3份、纳米硅溶胶：6份和造孔剂：8份混合，升温至第二目标温度96℃，在115℃进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
实施例3
本实施例与实施例1的差别之处在于：将34酚醛树脂、8份纳米粉体、6份氧基硅烷聚合物在乙酸乙酯溶剂中混合，得到混合树脂溶液；将所述混合树脂溶液加入所述纳米涂料的余下组分，连续机械搅拌12-48 h，得到目标纳米涂料；将纳米涂料进行梯度升温至第一目标温度80℃，得到中间体；将所述中间体与所述纳米涂料的余下组分：分散剂：0.5份、流平剂：1份、纳米硅溶胶：5份和造孔剂：1份混合，升温至第二目标温度90℃，在105℃进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
实施例4
本实施例与实施例1的差别之处在于：将35酚醛树脂、10份纳米粉体、15份氧基硅烷聚合物在异丙醇溶剂中混合，得到混合树脂溶液；将所述混合树脂溶液加入所述纳米涂料的余下组分，连续机械搅拌12-48 h，得到目标纳米涂料；将纳米涂料进行梯度升温至第一目标温度90℃，得到中间体；将所述中间体与所述纳米涂料的余下组分：分散剂：1份、流平剂：2份、纳米硅溶胶：10份和造孔剂：15份混合，升温至第二目标温度100℃，在108℃进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
对比例1
本实施例与实施例1的差别之处在于：用环氧酯化树脂替代酚醛树脂。
对比例2
本实施例与实施例1的差别之处在于：没有添加纳米粉体，用等量酚醛树脂替代。
对比例3
本实施例与实施例1的差别之处在于：溶剂为去离子水。
对比例4
本对比例与实施例1的差别之处在于：第一目标温度为110℃。
对比例5
本对比例与实施例1的差别之处在于：第一目标温度为60℃。
对比例6
本对比例与实施例1的差别之处在于：第二目标温度为70℃，在75℃进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
性能检测
将实施例和对比例固化后得到的涂层进行检测，涂层的静态接触角（CA)、滚动角（SA）及经80次耐磨测试后CA值如下。
表1。
疏水涂层要求表面静态接触角CA大于90°，滚动角SA小于10°，其中，表中的WCA为涂层对水的接触角，WSA为涂层对水的滚动角，由表1中的测试数据可以知道，采用本申请的方法制备的涂料可是具有较低的滑动角，体现了良好的疏水性；实施例组有较好的耐机械磨损性，在经过80次磨损后，接触角差异值在10％内，维持较好的超疏水性，涂层表面的微结构不易被磨损掉；除此之外，涂覆了上述涂层的基材不易被酸、碱和盐等溶液的腐蚀和被物理磨损。另外，实施例中涂层的OCA为35-70°，OCA为涂层对十六烷的接触角，说明涂层具有良好疏油性能。
表2为实施例和对比例在铝片基体上制备的涂层在户外实验3个月后涂层的色度变化（L、a、b值）及接触角（CA）差异。
由表2可以看出，涂层在户外暴露三个月后，涂层的颜色值基本上没变化，涂层的色度变化值在10％内，说明涂层的耐候性较好（涂层经过光照后，可能会发生老化，颜色值发生变化），同时涂层的接触角变化也较小，表明在外界环境使用下稳定性较好。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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，在其他实施例中实现。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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种环保疏水纳米涂料，其特征在于，所述纳米涂料的组分包括：酚醛树脂：20-35份、纳米粉体：5-10份、氧基硅烷聚合物：5-15份和溶剂：50-100份。
2.根据权利要求1所述的纳米涂料，其特征在于，所述纳米涂料的组分还包括：分散剂：0.5-1份、流平剂：1-2份、纳米硅溶胶：5-10份和造孔剂：1-15份。
3.根据权利要求1所述的纳米涂料，其特征在于，所述溶剂包括乙醇、丙醇、异丙醇和乙酸乙酯中至少一种。
4.根据权利要求1所述的纳米涂料，其特征在于，所述纳米粉体的平均粒径≤40纳米。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的纳米涂料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将酚醛树脂、纳米粉体、氧基硅烷聚合物在溶剂中混合，得到混合树脂溶液；
将所述混合树脂溶液中加入所述纳米涂料的余下组分，得到目标纳米涂料。
6.一种如权利要求1-4任意一项所述的纳米涂料的使用方法，其特征在于，所述方法包括：
将纳米涂料涂覆待处理基体并进行梯度升温至第一目标温度，得到中间体；
将所述中间体升温至第二目标温度，并进行固化烘干，得到目标纳米涂层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一目标温度为80-100℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二目标温度为90-100℃。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述固化烘干的温度为100-120℃。
10.一种环保疏水纳米涂层，其特征在于，通过权利要求1-4任意一项所述的环保疏水纳米涂料制备而成。
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