CN115558391A - 一种防水耐磨涂层及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防水耐磨涂层及其制备方法、应用，制备方法包括：在二甲基甲酰胺溶液中加入纳米级二氧化硅颗粒和1H，1H，2H，2H‑全氟癸基三甲氧基硅烷溶液，再加入微米级聚四氟乙烯颗粒，进行加热搅拌，得到改性微纳颗粒分散液；将热塑性聚氨酯弹性体和固化剂加入改性微纳颗粒分散液中，并加热搅拌，得到防水耐磨涂料；将防水耐磨涂料涂覆到基体上。采用上述方法，可将改性后的纳米级二氧化硅颗粒和微米级聚四氟乙烯颗粒混合充分混合，保护纳米级二氧化硅颗粒，从而提高防水耐磨涂层的耐磨性。而且，防水耐磨涂层具有良好防水性，可应用在涉水航行器的表面，能有效降低涉水航行器在运动过程中的阻力，提高航行速度，减少能源消耗。
Description
技术领域
本发明涉及复合疏水材料技术领域，尤其涉及一种防水耐磨涂层及其制备方法、应用。
背景技术
近年来，随着国家对海洋权益保护与海洋开发程度的不断加强，涉水航行器的综合性能急需进一步提升，特别是水面及水下航行器的降耗节能及速度提升方面，而航行器在水中行驶时产生的摩擦阻力是影响其耗能和速度的最主要原因。对于一些高速的水面舰艇，其摩擦阻力占比达到行驶总阻力的40％以上，而对于如鱼雷、潜艇等水下航行器据，该比例最高可达80％。研究发现，在动力和能源一定的条件下，若摩擦阻力减小10％，则涉水航行器的巡航速度和航程将同时增加约3.57％。因此，设法减少涉水航行体表面的摩擦阻力有着广泛的应用前景和重要的战略意义。此外，现有的疏水涂层耐磨性较差，当涉水航行器经过长时间使用后，涂层受到摩擦而脱落，导致疏水性下降，使涉水航行器的巡航速度重新变慢。
发明内容
本发明的目的在于提出一种防水耐磨涂层及其制备方法，以解决现有疏水涂层耐磨性较差的问题。本发明的目的还在于一种防水耐磨涂层的应用，以解决航行器在水中行驶时与水体产生的摩擦阻力，影响其耗能和速度的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种防水耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在二甲基甲酰胺溶液中加入纳米级二氧化硅颗粒和1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷溶液，再加入微米级聚四氟乙烯颗粒，进行加热搅拌，得到改性微纳颗粒分散液；
步骤二：将热塑性聚氨酯弹性体和固化剂加入所述改性微纳颗粒分散液中，并加热搅拌，得到防水耐磨涂料；
步骤三：将所述防水耐磨涂料涂覆到基体上，干燥后得到防水耐磨涂层。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，所述纳米级二氧化硅颗粒、微米级聚四氟乙烯颗粒和热塑性聚氨酯弹性体之间的质量之比为(1～4)：5：(4～1)。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，所述纳米级二氧化硅颗粒、微米级聚四氟乙烯颗粒和热塑性聚氨酯弹性体的质量之和与所述二甲基甲酰胺溶液的用量之比为1g:(5～20mL)。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，所述固化剂与热塑性聚氨酯弹性体的质量比为2:(1～2)。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，所述步骤一中加热混合时间为20min～2h，所述加热温度为60～80℃。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，所述步骤二中加热混合时间为30min～2h，加热温度为60～80℃。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，所述步骤三中的涂覆方式包括喷涂、滴涂、旋涂、浸涂或刮刀涂覆中的一种或多种的组合。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，所述步骤三中的干燥温度为0～60℃，所述干燥时间为1～24h。
本发明还提供了一种防水耐磨涂层，所述防水耐磨涂层通过如上述防水耐磨涂层的制备方法制备得到。
本发明还提供了一种防水耐磨涂层的应用，将如上述的防水耐磨涂层涂覆于涉水航行器的表面。
本发明中的一个技术方案可以具有以下有益效果：
所述防水耐磨涂层通过改性纳米级二氧化硅和微米级聚四氟乙烯颗粒的配合，防水耐磨涂层的表面形成粗糙的微纳米复合结构，在微米级聚四氟乙烯凸起颗粒上覆盖着许多纳米级二氧化硅颗粒小颗粒，使得涂层更加粗糙，微纳米复合结构改能捕捉空气中的气体分子，在涂层表面形成空气层，防止水和涂层表面直接接触，降低了涂层的润湿性，涂层疏水性能优异。
而且，采用上述制备方法，可将改性后的纳米级二氧化硅颗粒和微米级聚四氟乙烯颗粒混合充分混合，保护了微米级聚四氟乙烯颗粒之间的缝隙的纳米级二氧化硅颗粒，从而提高防水耐磨涂层的耐磨性，只有当涂层完全被磨损露出基底后，微米级聚四氟乙烯颗粒完全从基底上磨走，才能使基底丧失疏水性能。将所述防水耐磨涂层应用于涉水航行器的表面，能有效降低涉水航行器在运动过程中的阻力，提高航行速度，减少能源消耗。
附图说明
图1是本发明实施例1的超疏水涂层表面水滴形貌。
图2是本发明实施例1的超疏水涂层100μm尺度下的表面SEM图。
图3是本发明实施例1的超疏水涂层500nm尺度下的表面SEM图。
图4是本发明实施例1的成分含量测试中的元素含量占比情况表。
图5是本发明实施例1的成分含量测试中测试区域的元素分布图，其中，(A)为能谱测试图，(B)表示C元素分布，(C)蓝色表示O元素分布，(D)表示F元素分布，(E)表示Si元素分布。
图6是单一纳米改性SiO2涂层磨损前后的结构示意图。
图7是本发明其中一个实施例的磨损前后的结构示意图。
图8是本发明实施例4应用于水下潜艇的应用示意图。
图9是本发明实施例4应用于滑翔机的应用示意图。
附图中：基底1、纳米级二氧化硅2、微米级聚四氟乙烯3。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。为了便于理解本发明，下面对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参照图1～9，本发明提供了一种防水耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在二甲基甲酰胺溶液中加入纳米级二氧化硅颗粒和1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷溶液，再加入微米级聚四氟乙烯颗粒，进行加热搅拌，得到改性微纳颗粒分散液；
步骤二：将热塑性聚氨酯弹性体和固化剂加入所述改性微纳颗粒分散液中，并加热搅拌，得到防水耐磨涂料；
步骤三：将所述防水耐磨涂料涂覆到基体上，干燥后得到防水耐磨涂层。
所述防水耐磨涂层的制备方法中，先采用1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷，简称POFTES，对纳米级二氧化硅颗粒，即SiO2，进行降低表面能的改性处理，再将改性后的纳米级二氧化硅颗粒掺杂进入微米级聚四氟乙烯颗粒，即PTFE，以及热塑性聚氨酯粒子，即TPU。1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷在水解后释放低分子醇，从而产生的活泼性硅醇，能与二氧化硅上的羟基等含氧基团产生化学键合，对二氧化硅进行疏水改性，使二氧化硅的表面形成自组装的单分子氟硅膜层，从而降低二氧化硅的表面能。
所述微米级聚四氟乙烯颗粒的平均粒径为3～5μm。所述纳米级二氧化硅颗粒的平均粒径为15±5nm。当改性后的纳米级二氧化硅颗粒和微米级聚四氟乙烯颗粒混合后，配合形成了微纳米复合结构，在微米级聚四氟乙烯凸起颗粒上覆盖着许多纳米级二氧化硅颗粒小颗粒，使得涂层更加粗糙，当涂层的表面与水接触时，可以形成稳定的空气层，防止水和涂层表面直接接触，降低了涂层的润湿性，因此涂层疏水性能优异。
而且，由于聚四氟乙烯具有很低的表面能，而且是柔性材料，改性后的纳米级二氧化硅颗粒和微米级聚四氟乙烯颗粒混合充分混合后，结合在一起，保护了微米级聚四氟乙烯颗粒之间的缝隙的纳米级二氧化硅颗粒，从而提高防水耐磨涂层的耐磨性，只有当涂层完全被磨损露出基底后，微米级聚四氟乙烯颗粒完全从基底上磨走，才能使基底丧失疏水性能。
优选地，所述纳米级二氧化硅颗粒、微米级聚四氟乙烯颗粒和热塑性聚氨酯弹性体之间的质量之比为(1～4)：5：(4～1)。热塑性聚氨酯弹性体为防水耐磨涂层的主体，提供了涂层的力学性能，使得涂层具有一定的机械强度和基体结合力。纳米级二氧化硅颗粒经过1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷改性后，具有低表面能的接枝物以及较高的表面粗糙度。微米级聚四氟乙烯颗粒与纳米级二氧化硅颗粒混合后，形成微纳结构涂层，聚四氟乙烯颗粒可以更牢固地把二氧化硅颗粒保护在热塑性聚氨酯弹性体形成的胶质里，而且由于聚四氟乙烯是弹性体，可以缓冲摩擦引起的剪切力，从而提高涂层耐磨性。
通过上述比例，可使防水耐磨涂层获得良好的防水性和耐磨性，若纳米级二氧化硅颗粒所占比例过高，或者热塑性聚氨酯弹性体/微米级聚四氟乙烯颗粒所占比例过低，会导致微米级聚四氟乙烯颗粒无法将所有二氧化硅颗粒保护在热塑性聚氨酯弹性体形成的胶质里，使得纳米级二氧化硅颗粒容易被摩擦引起的剪切力给剥离出来，从而使防水耐磨涂层耐磨性下降；而且经过多次摩擦后，纳米级二氧化硅颗粒大量因摩擦而损失，导致防水耐磨涂层防水性。
若纳米级二氧化硅颗粒所占比例过低，或者热塑性聚氨酯弹性体/微米级聚四氟乙烯颗粒所占比例过高，纳米级二氧化硅颗粒数量少，无法保证防水性。
优选地，所述纳米级二氧化硅颗粒、微米级聚四氟乙烯颗粒和热塑性聚氨酯弹性体的质量之和与所述二甲基甲酰胺溶液的用量之比为1g:(5～20mL)。
采用上述二甲基甲酰胺溶液与纳米级二氧化硅颗粒、微米级聚四氟乙烯颗粒和热塑性聚氨酯弹性体之间的比例，使得纳米级二氧化硅颗粒和微米级聚四氟乙烯颗粒能够充分混合。若二甲基甲酰胺溶液的用量过小，纳米级二氧化硅颗粒和微米级聚四氟乙烯颗粒混合后，改性微纳颗粒分散液过于黏稠，使热塑性聚氨酯弹性体和固化剂加入后难以搅拌，从而导致混合不均匀的问题，并使防水耐磨涂料过于浓稠而难以涂覆在基底上。若二甲基甲酰胺溶液的用量过大，防水耐磨涂料过稀，难以固定在基底上，使得防水耐磨涂层过薄，导致耐磨性下降。
具体地，所述固化剂与热塑性聚氨酯弹性体的质量比为2:(1～2)。固化剂的种类可以参考现有的热塑性聚氨酯弹性体固化剂，固化剂促进热塑性聚氨酯弹性体固化，使防水耐磨涂料在基底表面固化，形成防水耐磨涂层。若固化剂的质量过低，导致热塑性聚氨酯弹性体固化速度慢，甚至难以固化；若固化剂的质量过高，导致热塑性聚氨酯弹性体固化速度快，难以涂覆，而且造成浪费。
具体地，所述步骤一中加热混合时间为20min～2h，所述加热温度为60～80℃。在本发明具体的实施例中，步骤一中的混合时间为20min～2h，加热温度为60～80℃，若混合时间过短，或加热温度低，会导致纳米级二氧化硅颗粒改性会不充分，从而影响防水效果；若混合时间过长，或加热温度过高，会导致改性微纳颗粒分散液过于黏稠，不利于热塑性聚氨酯弹性体和固化剂的充分混合。
具体地，所述步骤二中加热混合时间为30min～2h，加热温度为60～80℃。在本发明具体的实施例中，步骤二中的混合时间为30min～2h，加热温度为60～80℃，若混合时间过短，或加热温度低，会导致热塑性聚氨酯弹性体和固化剂反应不充分，从而影响固化效果；若混合时间过长，或加热温度过高，会导致防水耐磨涂料过于黏稠，不利于防水耐磨涂料的涂覆。
可选地，所述步骤三中的涂覆方式包括喷涂、滴涂、旋涂、浸涂或刮刀涂覆中的一种或多种的组合。
在本发明具体的实施例中，涂覆方式可以采用喷涂、滴涂、旋涂、浸涂或刮刀涂覆等多种方式，用户可根据实际需要进行选择。
具体地，所述步骤三中的干燥温度为0～60℃，所述干燥时间为1～24h。在本发明具体的实施例中，在0～60℃的温度下，对防水耐磨涂料进行干燥，干燥1～24h，用户可根据实际需要进行选择。
本发明还提供了一种防水耐磨涂层，所述防水耐磨涂层通过上述防水耐磨涂层的制备方法制备得到。所述防水耐磨涂层由防水耐磨涂料固化而成，防水耐磨涂料的组分包括二甲基甲酰胺、改性纳米级二氧化硅、微米级聚四氟乙烯、热塑性聚氨酯弹性体和固化剂。单一纳米级二氧化硅在涂覆在基底时，很容易被摩擦引起的剪切力给剥离出来，而与微米级聚四氟乙烯颗粒之后，形成微纳结构涂层，微米级颗粒可以更牢固的把纳米级颗粒锁在热塑性聚氨酯弹性体形成的胶质里，而且由于聚四氟乙烯是弹性体，可以缓冲摩擦引起的剪切力，从而提高涂层耐磨性。微米级聚四氟乙烯和改性纳米级二氧化硅颗粒都是低表面能材料，当涂层的表面层被磨损后，底层将形成一个新的粗糙表面，从而赋予涂层一个持久的疏水性。
本发明还提供了一种防水耐磨涂层的应用，将如上述的防水耐磨涂层涂覆于涉水航行器的表面。具体地，涉水航行器包括水下潜艇和滑翔机。通过改性纳米级二氧化硅和微米级聚四氟乙烯颗粒的配合，防水耐磨涂层的表面形成粗糙的微纳米复合结构，微纳米复合结构改能捕捉空气中的气体分子，在涂层表面形成空气层，能有效降低涉水航行器在运动过程中的阻力，提高航行速度，减少能源消耗。
实施例组A
一种防水耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按照表1参数，在二甲基甲酰胺溶液中加入纳米级二氧化硅颗粒和1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷溶液，再加入微米级聚四氟乙烯颗粒，进行加热搅拌，得到改性微纳颗粒分散液；
步骤二：按照表1参数，将市售型号为
XP 2487/1的固化剂和热塑性聚氨酯弹性体，加入到改性二氧化硅分散液中，使用磁力搅拌，在加热条件下搅拌，直到热塑性聚氨酯弹性体完全溶解，得到防水耐磨涂料。
表1-实施例1～4中的具体参数
步骤三：用无水乙醇将带涂覆的基底洗净，并吹干，将防水耐磨涂料涂覆涂覆到基体上。实施例1～3的基底为玻璃片，实施例4的基底为水下潜艇或滑翔机，实施例1制备得到防水耐磨涂料采用刮刀涂覆的方式涂覆在玻璃片上，并在25℃下干燥6h，得到防水耐磨涂层；实施例2制备得到防水耐磨涂料采用滴涂的方式涂覆在玻璃片上，并在0℃下干燥24h，得到防水耐磨涂层。实施例3制备得到防水耐磨涂料采用浸涂的方式涂覆在玻璃片上，并在60℃下干燥3h，得到防水耐磨涂层。实施例4制备得到防水耐磨涂料采用喷涂的方式涂覆在水下潜艇和滑翔机表面上，并在25℃下干燥6h，得到防水耐磨涂层。
对实施例1～3的防水耐磨涂层分别进行疏水性测试、表面微观结构测试、成分含量测试和耐磨性测试，并使用实施例4进行水下潜艇减阻测试。
疏水性测试
在室温下，在空白玻璃片上和防水耐磨涂层表面分别选取五个位置各滴加5μL的水滴，采用接触角测量仪来测量表面的润湿性，测量结果取平均值。
表面微观结构测试
采用扫描电子显微镜对防水耐磨涂层表面进行形貌测试。
成分含量测试
用扫描电子显微镜上搭载的能谱仪对涂层表面进行成分分析。
耐磨性测试
将实施例有涂层的一面放置在800目的砂纸上，在玻璃片上放100g的砝码，用直尺匀速推动玻璃片。以20cm作为一个循环测试一次涂层的疏水性，观察水滴在涂层表面接触状态，通过对比水滴在空白玻璃片表面接触状态，判断是否仍具有防水耐磨涂层，当水滴在涂层表面接触状态与水滴在空白玻璃片表面接触状态接近，则表示防水耐磨涂层完全磨损。
水下潜艇和滑翔机减阻测试
将实施例4中得到的表面涂敷有防水耐磨涂层的水下潜艇和滑翔机进行减阻性能测试，以未涂敷涂层的潜艇和滑翔机作为空白对照，对两组潜艇和滑翔机进行速度测试。
测试结果
疏水性测试结果如图1所示，防水耐磨涂层静态水接触角为152°，滚动角小于10°，而空白玻璃片上静态水接触角为43.5°，证明本发明制备的防水耐磨涂层具有超疏水性。
在表面微观结构测试中，实施例1～3的结果比较接近，因此，选取实施例1的结果，如图2和图3所示。结合图2和图3可看出，防水耐磨涂层表面已形成了微纳米复合结构，在微米级凸起颗粒上覆盖着许多纳米级小颗粒，使得表面与水接触时可以形成稳定的空气层，让水不能和涂层表面直接接触，降低了涂层的润湿性，因此涂层疏水性能优异。
在成分含量测试中，实施例1～3的结果比较接近，因此，选取实施例1的结果，如图4和图5所示。根据图4可看出，涂层成分主要为C、F、O、Si四种元素，其中C元素含量最高，这是由于制备涂层所用原料除了二氧化硅外都是有机物。O含量占比为27.839％，仅次于C的含量，这主要来源于热塑性聚氨酯和固化剂。F含量占比为18.523％，这主要来源于聚四氟乙烯和1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷溶液对纳米级二氧化硅改性，而Si的含量占比为17.983％，这比理论计算的含量较高，这主要是因为纳米二氧化硅粒子主要分布在涂层表面，镶嵌在热塑性聚氨酯和聚四氟乙烯构造的基体中，而能谱仪是对涂层表面进行测试，探测深度约为1.625μm，所以测试结果比理论计算的要高。从图5可看出，C、F、O、Si元素在表面分布均匀，很好的构造了涂层表面的微纳米复合结构。
在耐磨性测试中，实施例1～3需要经历50个循环才能被完全磨损；同时，在耐磨性测试的过程中，防水耐磨涂层在未被完全磨损前，水接触角的变化极小，说明在摩擦过程中，尽管涂层会有磨损消耗，但是继续展露的涂层仍然具有很好的疏水性，只有在涂层完全被磨损露出基底后，疏水性才消失。此外，防水耐磨涂层经历50个循环，即防水耐磨涂层经过800目的砂纸在100g的砝码提供的压力下摩擦了10m的距离后才能被完全磨损，说明了所述防水耐磨涂层具有优异的耐磨性。
水下潜艇和滑翔机减阻测试
未涂敷涂层的潜艇平均速度为35.67cm/s，涂敷涂层的潜艇平均速度为51.17cm/s。未涂敷涂层的滑翔机平均速度为1.8m/s，涂敷涂层的滑翔机平均速度为2.2m/s。根据减阻测试结果可看出，水下潜艇涂覆防水耐磨涂层后速度提升了43.5％，滑翔机的速度提升了22.22％。原因是涂敷涂层后的潜艇或滑翔机表面形成了空气层，大大减少了潜艇或滑翔机底座与水的接触面积，所受的阻力降低，表现为速度上的提升。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。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，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在二甲基甲酰胺溶液中加入纳米级二氧化硅颗粒和1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷溶液，再加入微米级聚四氟乙烯颗粒，进行加热搅拌，得到改性微纳颗粒分散液；
步骤二：将热塑性聚氨酯弹性体和固化剂加入所述改性微纳颗粒分散液中，并加热搅拌，得到防水耐磨涂料；
步骤三：将所述防水耐磨涂料涂覆到基体上，干燥后得到防水耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米级二氧化硅颗粒、微米级聚四氟乙烯颗粒和热塑性聚氨酯弹性体之间的质量之比为(1～4)：5：(4～1)。
3.根据权利要求2所述的一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米级二氧化硅颗粒、微米级聚四氟乙烯颗粒和热塑性聚氨酯弹性体的质量之和与所述二甲基甲酰胺溶液的用量之比为1g:(5～20mL)。
4.根据权利要求1所述的一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述固化剂与热塑性聚氨酯弹性体的质量比为2:(1～2)。
5.根据权利要求1所述的一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中加热混合时间为20min～2h，所述加热温度为60～80℃。
6.根据权利要求1所述的一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中加热混合时间为30min～2h，加热温度为60～80℃。
7.根据权利要求1所述的一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的涂覆方式包括喷涂、滴涂、旋涂、浸涂或刮刀涂覆中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1所述的一种防水耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的干燥温度为0～60℃，所述干燥时间为1～24h。
9.一种防水耐磨涂层，其特征在于，所述防水耐磨涂层通过如权利要求1～8任一项所述防水耐磨涂层的制备方法制备得到。
10.一种防水耐磨涂层的应用，其特征在于，将如权利要求9所述的防水耐磨涂层涂覆于涉水航行器的表面。
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