CN115926573A - 一种超亲水复合涂料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超亲水复合涂料及其制备方法与应用。超亲水复合涂料,包括以下质量份计的组分:环氧树脂1‑10份、改性胺类固化剂1‑10份、导热填料0.3‑10份、含氨基的亲水性化合物1‑5份、酯类溶剂8‑120份、乙酸乙酯或四氢呋喃5‑40份。采用本发明的涂料所制备得到的涂层表面水滴静态接触角可达到0°,呈现超亲水性,具有良好的使用稳定性,附着力可得到0级,热导率达到1.2W/(m·K)。
Description
技术领域
本发明涉及超亲水材料技术领域,尤其涉及一种超亲水复合涂料及其制备方法与应用。
背景技术
超亲水涂层具有独特的浸润性,水滴能够在在其表面完全铺展并形成水膜。一般地,将水接触角在10°以下的涂层统称为超亲水涂层。自1997年东京大学的Wang等人在Nature上首次报道二氧化钛超亲水表面的工作以来,引发了科研工作者对超亲水涂层的浓厚兴趣,并开展了大量的研究工作。目前,超亲水涂层在自清洁、防雾、防污、油水分离等领域展现出广阔的应用前景。例如,Tian等人利用水热法和电沉积法在镁合金表面制备了羟基磷灰石/羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖复合超亲水涂层,其水接触角达到4°,能够显著抑制蛋白质和细菌的吸附,从而起到防污作用(Tian M,Cai S,Ling L,Zuo Y,Wang Z,Liu P,Bao X,Xu G.Superhydrophilic hydroxyapatite/hydroxypropyltrimethyl ammoniumchloride chitosan composite coating for enhancing the antibacterial andcorrosion resistance of magnesium alloy.Progress in Organic Coatings,2022,165:106745)。Lei等人采用简单的浸泡法,以四丁基氢氧化铵改性的α-磷酸锆为主要物质在玻璃表面上制备了透明的超亲水涂层,水接触角达到4.5°,表现出良好的防雾性能(LeiF,Chen S,Sun H,Han H,Yang J,Huang J,Li D,Sun D.Fabrication of highlytransparent and superhydrophilic coatings on glass by modifiedα-zirconiumphosphate nanoplatelets.Materials Chemistry and Physics,2021,263:124377)。然而,目前报道的大部分超亲水涂层与基材之间的附着力差,长期在潮湿环境下使用或者在水的浸泡下易于脱落,丧失使用性能。如何提高超亲水涂层在基材上的附着力是该领域急需解决的关键技术之一。
除了自清洁、防雾、防污、油水分离等领域之外,超亲水涂层在电力工业的高压导线表面也有重要的应用价值,可以有效抑制电晕噪声现象。高压输电线路的导线表面由于制造工艺产生的毛刺及长期运行导线的积污和腐蚀等原因,导线表面会形成缺陷,造成导线表面附近的电场强度增大。当导线表面电场强度达到空气的起晕场强时,会引起导线附近空气电离,发生电晕放电现象。电晕放电产生的带电粒子与空气分子之间的相互作用,会引起空气分子振动,进而产生噪声。在潮湿的雨天或雾天,导线上的小水滴产生大量沿导线随机分布的电晕放电点,使得输电线路噪声明显比晴天的大。通过在导线表面涂覆超亲水涂层,可以抑制雨天或雾天条件下水滴的形成,并使涂层表面的水成为连续水膜,从而起到防电晕噪声的效果。此外,高压输电线路在传输电流的过程中会产生一定的热量,为了避免热量积聚导致局部温度过高,超亲水涂层还要具有较好的导热性,但目前报道的大部分超亲水涂层并不具备导热性。
因此,开发一种附着牢固且导热性良好的超亲水涂层具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种超亲水复合涂料及其制备方法与应用。该超亲水复合涂料形成的涂层的水接触角可达到0°,涂层具有良好的使用稳定性、附着力和导热性。
本发明的另一目的在于提供上述超亲水复合涂料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述超亲水复合涂料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:一种超亲水复合涂料,包括以下质量份计的组分:环氧树脂1-10份、改性胺类固化剂1-10份、导热填料0.3-10份、含氨基的亲水性化合物1-5份、酯类溶剂8-120份、乙酸乙酯或四氢呋喃5-40份。
所述酯类溶剂为乙酸乙酯、乙酸丙酯和乙酸丁酯中的至少一种。
优选地,所述环氧树脂为聚氨酯改性环氧树脂和酚醛环氧树脂中的至少一种。聚氨酯改性环氧树脂可以采用牌号为E-42的环氧树脂,酚醛环氧树脂可以采用牌号为E-44或E-51的环氧树脂。
优选地,所述环氧树脂的环氧值为0.41-0.51。
优选地,所述改性胺类固化剂为脂肪族胺改性的胺类固化剂和酚醛胺改性的胺类固化剂中的至少一种。脂肪族胺改性的胺类固化剂可以采用牌号为593的改性胺类固化剂,酚醛胺改性的胺类固化剂可以采用牌号为T31的改性胺类固化剂。
优选地,所述导热填料为氮化硼、氮化铝和碳化硅中的至少一种。
优选地,所述导热填料的粒径为50-100μm。导热填料的粒径太小,如果要形成较多的导热通路,用量较大;粒径太大,则不易分散且容易沉淀。
优选地,所述含氨基的亲水性化合物为2-氨基-3-羟基丙酸、L-天门冬氨酸钠和谷氨酸中的至少一种。
上述超亲水复合涂料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将环氧树脂、改性胺类固化剂、导电填料分散于酯类溶剂中,得到底层涂料;
(2)将含氨基的亲水性化合物分散于乙酸乙酯或四氢呋喃中,得到上层涂料。
优选地,步骤(1)所述分散为200-500r/min的转速下搅拌5-15min。
优选地,步骤(2)所述分散为80-200r/min的转速搅拌5-20min。
采用上述制备方法得到的超亲水复合涂料制备涂层,方法包括以下步骤:将底层涂料喷涂在基材上,得到底层涂层,再将上层涂料喷涂在底层涂层表面,50-90℃放置2-5h,即得超亲水复合涂层。放置一段时间后环氧树脂发生固化反应,同时含氨基的亲水性化合物上的氨基参与环氧树脂的固化反应,从而以化学键键接在底层涂层上。
优选地,所述喷涂环节的工作压力为0.5-0.8MPa,喷枪与基材之间的距离为15-20cm,喷枪的移动速度为1-2cm/s并往复循环移动1-3次。
上述超亲水复合涂料在抑制高压线缆的电晕噪声中的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明采用强极性的热固性环氧树脂作为超亲水复合涂层的底层主要物质,可以使涂层牢固地附着在基材表面,与环氧树脂复配的导热填料在提供导热性的同时,还起到构造粗糙度的作用;含氨基的亲水性化合物在环氧树脂和导热填料构成的底层涂层表面,氨基参与环氧树脂的固化交联反应,从而以化学键的方式连接在底层上,具有优良的使用稳定性。本发明的涂料所制备得到的涂层表面水滴静态接触角可达到0°,呈现超亲水性,具有良好的使用稳定性,附着力可得到0级,热导率达到1.2W/(m·K)。
(2)本发明采用喷涂法制备导热超亲水复合涂层,工艺简单,无需特殊设备,易于实施。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
首先将5g环氧树脂E-44、5g改性胺类固化剂593和2.5g粒径为60μm的氮化硼加入到50g的乙酸乙酯中,以350r/min的速度搅拌10min配成溶液,然后用喷枪将该溶液喷涂在铝片上,作为底层涂层(喷枪压力0.6MPa,移动速度2cm/s,往复循环移动3次);将2g的2-氨基-3-羟基丙酸加入14g乙酸乙酯中,以100r/min的转速搅拌10min配成溶液,并用喷枪将其喷涂在底层涂层表面(喷枪压力0.6MPa,移动速度1cm/s,往复循环移动2次),60℃放置3h,使环氧树脂发生固化反应,同时2-氨基-3-羟基丙酸上的氨基参与环氧树脂的固化反应,从而以化学键键接在底层上,即得超亲水复合涂层。
采用德国KRUSS公司的DSA25接触角测试仪对本实施例制备的超亲水复合涂层的接触角进行了测试,结果见表1。从表1可以看出,本实施例制备的涂层的水接触角达到0°,实现了超亲水性。
为了评价本实施例制备的超亲水复合涂层的使用稳定性,分别将其在水、三氯甲烷、己烷、甲苯和乙酸乙酯中浸泡12h,取出干燥后观察其外观并测试其水接触角,其结果列于表2。从表2可以看出,本实施例所制备的超亲水复合涂层表现出良好的使用稳定性,浸泡后的涂层外观无变化,水接触角为0°,仍保持超亲水性。
利用德国NETZSCH公司的LFA 447NanoFlash闪光法导热系数仪对本实施例制备的涂层的热扩散系数进行了测试,同时根据标准ISO2409-2013对涂层的附着力进行了测试,其结果列于表3。由表3可知,本实施例所制备的超亲水涂层的热扩散系数为1.0W/(m·K),附着力为0级。
实施例2
首先将5g环氧树脂E-42、5g改性胺类固化剂T31和1.5g粒径为100μm的碳化硅加入到40g的乙酸丁酯中,以200r/min的速度搅拌15min配成溶液,然后用喷枪将该溶液喷涂在不锈钢片上作为底层涂层(喷枪压力0.5MPa,移动速度1cm/s,往复循环移动2次);将1g谷氨酸加入8g四氢呋喃中,以80r/min的转速搅拌20min配成溶液,并用喷枪将其喷涂在底层涂层表面(喷枪压力0.5MPa,移动速度1cm/s,往复循环移动3次),50℃放置5h,使环氧树脂发生固化反应,同时谷氨酸上的氨基参与环氧树脂的固化反应,从而以化学键键接在底层上,即得超亲水复合涂层。
采用德国KRUSS公司的DSA25接触角测试仪对本实施例制备的导热超亲水复合涂层的接触角进行了测试,结果见表1。从表1可以看出,本实施例制备的涂层的水接触角达到2.3°,实现了超亲水性。
为了评价本实施例制备的超亲水复合涂层的使用稳定性,分别将其在水、三氯甲烷、己烷、甲苯和乙酸乙酯中浸泡12h,取出干燥后观察其外观并测试其水接触角,其结果列于表2。从表2可以看出,本实施例所制备的超亲水复合涂层表现出良好的使用稳定性,浸泡后的涂层外观无变化,水接触角在4°以内,仍保持超亲水性。
利用德国NETZSCH公司的LFA 447NanoFlash闪光法导热系数仪对本实施例制备的涂层的热扩散系数进行了测试,同时根据标准ISO2409-2013对涂层的附着力进行了测试,其结果列于表3。由表3可知,本实施例所制备的导热超亲水涂层的热扩散系数为0.8W/(m·K),附着力为0级。
实施例3
首先将5g环氧树脂E-51、5g改性胺类固化剂593和5g粒径为50μm的氮化硼加入到60g的乙酸丙酯中,以500r/min的速度搅拌5min配成溶液,然后用喷枪将该溶液喷涂在马口铁片上作为底层涂层(喷枪压力0.8MPa,移动速度2cm/s,往复循环移动3次);将3g的L-天门冬氨酸钠加入15g四氢呋喃中,以200r/min的转速搅拌5min配成溶液,并用喷枪将其喷涂在底层涂层表面(喷枪压力0.8MPa,移动速度2cm/s,往复循环移动3次),在80℃放置2h,使环氧树脂发生固化反应,同时L-天门冬氨酸钠上的氨基参与环氧树脂的固化反应,从而以化学键键接在底层上,即得超亲水复合涂层。
采用德国KRUSS公司的DSA25接触角测试仪对本实施例制备的超亲水复合涂层的接触角进行了测试,结果见表1。从表1可以看出,本实施例制备的涂层的水接触角达到1.7°,实现了超亲水性。
为了评价本实施例制备的超亲水复合涂层的使用稳定性,分别将其在水、三氯甲烷、己烷、甲苯和乙酸乙酯中浸泡12h,取出干燥后观察其外观并测试其水接触角,其结果列于表2。从表2可以看出,本实施例所制备的超亲水复合涂层表现出良好的使用稳定性,浸泡后的涂层外观无变化,水接触角在3.5°以内,仍保持超亲水性。
利用德国NETZSCH公司的LFA 447NanoFlash闪光法导热系数仪对本实施例制备的涂层的热扩散系数进行了测试,同时根据标准ISO2409-2013对涂层的附着力进行了测试,其结果列于表3。由表3可知,本实施例所制备的超亲水涂层的热扩散系数为1.2W/(m·K),附着力为0级。
实施例4
首先将5g环氧树脂E-44、5g改性胺类固化剂T31和3.5g粒径为80μm的氮化铝加入到55g的乙酸乙酯中,以250r/min的速度搅拌15min配成溶液,然后用喷枪将该溶液喷涂在铝片上作为底层涂层(喷枪压力0.7MPa,移动速度1cm/s,往复循环移动1次);将4g的2-氨基-3-羟基丙酸加入32g乙酸乙酯中,以100r/min的转速搅拌10min配成溶液,并用喷枪将其喷涂在底层涂层表面(喷枪压力0.6MPa,移动速度1cm/s,往复循环移动2次),在50℃放置4h,使环氧树脂发生固化反应,同时2-氨基-3-羟基丙酸上的氨基参与环氧树脂的固化反应,从而以化学键键接在底层上,即得超亲水复合涂层。
采用德国KRUSS公司的DSA25接触角测试仪对本实施例制备的超亲水复合涂层的接触角进行了测试,结果见表1。从表1可以看出,本实施例制备的涂层的水接触角达到3.8°,实现了超亲水性。为了评价本实施例制备的超亲水复合涂层的使用稳定性,分别将其在水、三氯甲烷、己烷、甲苯和乙酸乙酯中浸泡12h,取出干燥后观察其外观并测试其水接触角,其结果列于表2。从表2可以看出,本实施例所制备的超亲水复合涂层表现出良好的使用稳定性,浸泡后的涂层外观无变化,水接触角在5°以内,仍保持超亲水性。
利用德国NETZSCH公司的LFA 447NanoFlash闪光法导热系数仪对本实施例制备的涂层的热扩散系数进行了测试,同时根据标准ISO2409-2013对涂层的附着力进行了测试,其结果列于表3。由表3可知,本实施例所制备的导热超亲水涂层的热扩散系数为1.1W/(m·K),附着力为0级。
表1超亲水复合涂层的水接触角
注:采用德国KRUSS公司的DSA25接触角测试仪进行测试,每个样品取3个点计算平均值。
表2浸泡后超亲水复合涂层的外观变化情况及水接触角
注:采用德国KRUSS公司的DSA25接触角测试仪进行测试,每个样品取3个点计算平均值。
表3超亲水复合涂层的热扩散系数和附着力
从表1、表2和表3可以看出,本发明各实施例中所制备的超亲水复合涂层的水接触角均小于10°,甚至达到0°。这主要归因于两方面的作用:其一,导热填料的加入构建了粗糙度,这是实现超亲水特性的必备要素之一;其二,含氨基亲水性化合物上的氨基参与环氧树脂的固化反应,将亲水性的羟基、羧基和羧酸根引入到涂层表面,这是实现超亲水特性的另一个必备要素。
本发明实施例所制备的超亲水涂层不仅表现出优良的附着力,而且具有良好的使用稳定性,分别在水、三氯甲烷、己烷、甲苯和乙酸乙酯中浸泡12h,外观未出现明显变化,仍可保持超亲水性。这主要是因为环氧树脂具有强极性,可牢固地附着在基材表面,同时其固化后的交联网络将导热填料颗粒束缚在涂层上,同时含氨基亲水性化合物通过化学键连接在涂层表面,因此其使用稳定性优良。
此外,涂层还具有良好的导热性,其热扩散系数最高达到1.2W/(m·K),这主要是因为导热填料在环氧树脂中构建了有效的导热通路。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种超亲水复合涂料,其特征在于,包括以下质量份计的组分:环氧树脂1-10份、改性胺类固化剂1-10份、导热填料0.3-10份、含氨基的亲水性化合物1-5份、酯类溶剂8-120份、乙酸乙酯或四氢呋喃5-40份;
所述酯类溶剂为乙酸乙酯、乙酸丙酯和乙酸丁酯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述超亲水复合涂料,其特征在于,包括以下各项中至少一项:
所述环氧树脂为聚氨酯改性环氧树脂和酚醛环氧树脂中的至少一种;
所述改性胺类固化剂为脂肪族胺改性的胺类固化剂和酚醛胺改性的胺类固化剂中的至少一种;
所述含氨基的亲水性化合物为2-氨基-3-羟基丙酸、L-天门冬氨酸钠和谷氨酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述超亲水复合涂料,其特征在于,所述导热填料的粒径为50-100μm。
4.根据权利要求1所述超亲水复合涂料,其特征在于,所述环氧树脂的环氧值为0.41-0.51。
5.权利要求1-4任一项所述超亲水复合涂料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将环氧树脂、改性胺类固化剂、导电填料分散于酯类溶剂中,得到底层涂料;
(2)将含氨基的亲水性化合物分散于乙酸乙酯或四氢呋喃中,得到上层涂料。
6.根据权利要求5所述超亲水复合涂料的制备方法,其特征在于,包括以下各项中至少一项:
步骤(1)所述分散为200-500r/min的转速下搅拌5-15min;
步骤(2)所述分散为80-200r/min的转速搅拌5-20min。
7.采用权利要求5所述制备方法得到的超亲水复合涂料制备涂层,其特征在于,包括以下步骤:将底层涂料喷涂在基材上,得到底层涂层,再将上层涂料喷涂在底层涂层表面,50-90℃放置2-5h,即得超亲水复合涂层。
8.根据权利要求7所述制备涂层的方法,其特征在于,所述喷涂环节的工作压力为0.5-0.8MPa,喷枪与基材之间的距离为15-20cm,喷枪的移动速度为1-2cm/s并往复循环移动1-3次。
9.权利要求1-4任一项所述超亲水复合涂料在抑制高压线缆的电晕噪声中的应用。
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