CN1837299A - 一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备的多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用，其特征在于：采用原始粒径为3－100nm的纳米氧化硅、氧化钛、氧化锌复合材料，通过氟碳表面活性剂和全氟烷基成膜物质，在特定的条件与基材原位复合成纳米结构薄膜，由于氟碳键与纳米粒子表面羟基的反应和作用，使得改性后的纳米粒子及纳米薄膜具有极高的化学稳定性和耐变性，表现出对水、油、细菌、有机尘埃、气体、电、磁、光等多种物质的离异和分散作用即多质离散效应，，该技术可广泛用于纺织、化纤、棉毛、玻璃制品、砖石混凝土及木质结构墙体等方面的表面改性。

Description

一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用

所属技术领域：

本发明涉及一种纳米结构薄膜的制备方法和应用，特别是一种制备多质离散效应的纳米结构薄膜的方法和应用。

背景技术：

目前，背景技术中的纳米薄膜材料的制备方法和品种很多，如制备方法有：胶态悬浮体化学沉淀法、自组装法、表面改性法、电化学沉积法等；其制备的纳米结构功能性的薄膜也有许多种类，如纳米半导体薄膜、纳米多孔薄膜、纳米光学薄膜、纳米磁学薄膜、纳米摩擦学薄膜等。已有技术中纳米结构的薄膜的制备，一般是由粒子和衬底来实现的。从以上所述的纳米结构薄膜功能的种类上看，没有提出关于“多质散效应”的纳米结构薄膜及其制备方法。该薄膜其特点就是利用离散效应原理，将即要附着于基材(衬底)上的许多种物质迅速离开，或者分解散去，免得基材接触，从而达到离散效应的作用。

背景技术中尽管没有提出多质离散效应理论，但有许多分解、疏油、疏水方面的材料，即单疏、双疏的概念，其产品实质是对水或油污的疏离作用，可以达到防油、防水的目的；已有技术中把只对水或油有单一疏离作用的叫单疏；对水、油同时具有疏离作用的叫双疏。这种物质我们定义为离散效应材料。

背景技术中的离散效应的材料一般由多种化学材料组成，其机理是化学反应或键合形式与基材结合，来改变基材的物化性能，如代表产品托氟龙、N(三元一丁基)丙烯酰胺、乙一十四烷基丙烯酸脂、乙烯十二酸脂以及卤类单体、N-氟苯乙烯等；另一方面解决防水、防油的方法是在基材中加入带有疏水或者疏油基团的(官能团)包覆材料，这些材料一般为超细粉体或液体，如国外报导了永久处理技术，技术涵概了许多化学基本原理和各种纳米材料，其产品性能及使用与其它产品基本相似，签于对背景技术分析，本发明人对现有技术中的纳米结构薄膜的种类和功能进行分析，认为背景技术中纳米结构薄膜种类和功能存在如下不足：

一、已有的纳米结构薄膜没有多质离散效应的功能，种类大多数是光学薄膜、磁学、半导体或导电膜及摩擦薄膜。本发明提供新的种类补充。

二、已有技术中的“离散效应”材料只是单一的防水、防油、抗菌、抗电磁等功能，一般不具有对多种物质的分解离散功能，本发明提供新功能的补充。

三、已有技术中的化学组分基本以有机物或包覆材料为主，产品性能不够稳定，耐久性差，甚至有些污染成分，达不到环保要求。

四、已有技术中使用的单疏材料也有部分粉体材料，但是由于粒料较大一般在1000nm以上，这种材料不易在液相或胶体中分散，使得它们被加入到介质材料中，效果及不明显。而且影响制品的光泽，同时功能粉体上的基团多是以物理方式吸附在粉体表面，基团与粉体结合不牢固，这些基团随着时间延长和温度的提高而受到破坏，从而影响材料和制品的功能。

发明内容：

根据前述背景技术中存在的不足，本课题组织发明人依多年的纳米结构薄膜制作的实践和经验，在多次试验研究的基础上，终于发明一种保持基材及制品稳定性能并且可达到疏水、疏油、防尘、抗菌、抗老化功能的多质离散效应纳米结构薄膜材料的方法和应用。

本发明中提出了新的薄膜种类和功能的概念，即纳米结构“多质离散效应”的薄膜和制作方法。本发明中的“多质离散效应”理论是指该纳米薄膜从功能上可以对三种以上物质包括水、油、有机杂质、无机尘埃、细菌及光、电、磁等多种物质进行催化、分解、离异、分散的作用，从本发明定义角度出发，背景技术中的单疏、双疏材料均属于“单质离散型材料”。

本发明中提出了一种新型的制备纳米结构薄膜的方法和应用，是指通过将一次纳米粒子与成膜物质在一定条件下与基材结合，所形成稳定的纳米结构复合薄膜。

本发明的技术方案是这样实现的：一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用，其特征在于：该技术方案中的纳米材料是由纳米抗菌材料、纳米催化材料、纳米界面材料、纳米表面耗能材料、纳米分解材料复合而成，上述材料的粒径均小于100nm，上述纳米材料通过氟碳表面活性剂改性，并通过氟碳成膜物质将连续起来，薄膜厚为小于500nm，薄膜结构可分为不连续相和连续相两种，纳米粒子随机分布在成膜物质中，纳米薄膜与基材以渗透、吸附、化学键合等形式复合为一体；

本发明的技术方案可以通过以下步骤得以实现，一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用，其特征在于：

一、原料选用：

(一)纳米材料选用：

a、纳米抗菌材料：可以采用硅基氧化物为载体(SiO_2-X)金属离子抗菌材料，比例为8％-12％，牌号为SS₁、DS₁、SP₁。

b、纳米催化材料：可以选用纳米氧化钛(TiO₂)，牌号为DJ₃、DJ_3-S

c、纳米分解材料可以选择氧化锌(ZnO)，牌号为MN6Z。

d、纳米界面材料可以选择氧化铝(AlO₃)，牌号为NR-3Al。

e、纳米表面耗能材料选择(TiO₂)，牌号为RX-05。

(二)改性助剂的选用：

纳米材料改性助剂可选择氟碳表面活性剂，根据上述不同的纳米材料选用不同型号的氟碳表面活性剂。其中：

纳米抗菌材料选用：四氟异邻苯二甲腈表面活性剂。

纳米催化材料选用：氟碳硅烷表面活性剂。

纳米分解材料选用：全氟基氟硅高分子表面活性剂。

纳米界面材料和表面耗能材料选用：5％的氟烷基化合物表面活性剂。

(三)成膜物质选用：

成膜物质可选择氟碳成膜活性材料。

本发明中采用全氟烷基磺酸酰烷基丙烯酸酯。

(四)纳米材料分散介质选用：

纳米材料改性用的分散介质可选择脂肪烃、芳香烃或它们的衍生物，本发明中选用：甲苯、二甲苯为分散介质。

纳米结构薄膜制备分散介质选择去离子水。

二、制备方法：

(一)纳米材料改性工艺：

本发明所用纳米材料是经过改性工艺制备的，其工艺过程为：先将上述各种纳米材料粉体，分别加在分散介质二甲苯中分散，然后按纳米材料与氟碳表面活性剂之间的量比为1∶0.005-1∶00.1的比例填加在分散介质中，使纳米材料表面羟基与氟碳表面活性剂进行充分反应，最后除去分散介质，经过干燥而得到各种纳米改性材料粉体。

(二)纳米复合材料制备工艺：

1.纳米复合粉体配制比例：

按上述纳米材料编号，配制比例为：

a∶b∶c∶d∶e＝20-30％∶15-25％∶20-30％∶15-25％∶15-20％

将上述纳米材料在搅拌机中充分搅拌均匀备用.

(三)纳米成膜浆料的制备：

1.原料选用：

a.纳米材料为上述纳米改性复合材料：0.1-2％。

b.氟碳成膜物质为：全氟烷基磺酸酰烷基丙烯酸脂2-4％.

c.功能助剂为：脂肪醇聚氧乙烯醚0.05％-0.1％.

d.分散介质为：去离子水85-95％.

配比比例

a∶b∶c∶d＝2％∶4％∶0.1％∶93.9％

2.成膜浆料的制备工艺：

按上述比例备好原材料，将功能助剂加入到分散介质中，分散介质为去离子水，在50-70℃边加入边搅拌，使功能助剂均匀的溶解在分散介质中，将改性后的纳米复合材料，慢慢的加入到上述溶液中，一边加入一边搅拌，用搅拌机以120-160转/分搅拌20-30分钟后，用乳化机进行间接分散10-20分钟，使纳米材料均匀的分散在液相中，再将氟碳成膜物质慢慢的加入到已经分散好的纳米液相中，慢慢搅拌均匀备用。

(四)纳米结构薄膜的制备工艺：

将即要原位成膜的基材清洗干净，用喷涂、浸轧的方法，将成膜浆料设置在基材上边，将设有成膜浆料的基材在120一180℃下加热烘干0.5-1分钟即可。通过调整浆料浓度或控制生产节和成膜压，可以实现纳米结构薄膜的厚度控制。

本发明的技术方案与背景技术比较所具有的优点和积极效果：

由于采用上述技术方案，使得制备的薄膜的功能机理、成膜方法、使用材料、纳米薄膜微观结构有所不同，其优点在于：

一、本发明中的纳米结构薄膜是与基材原位复合而成具有与基材不可分割性。

二、本发明中的纳米结构薄膜中的纳米材料为多功能复合材料，通过表面改性后，使得薄膜具有对油、水、有机杂质、无机尘埃、细菌及光、电、磁的离异和分散作用，弥补了背景技术中单疏、双疏材料的不足。

三、本发明中采用的纳米材料改性助剂以氟碳表面活性剂为主，很少的添加量使液体的表面张力下降，如水73MN/M，降至为18MN/M，降能效果显著。

四、由于氟原子独特的几何尺寸和电负性等因素使得改性后的纳米材料，具有很高的热稳定性，很高的耐强酸、高浓度碱和强氧化性。

五、本发明中的成膜物质采用氟碳成膜材料，使得膜厚明显下降，保持原基材的物化特征和色彩，并仍有极高的透明度和透气性。

鉴于上述分析，本发明制备的多质离散效应的纳米结构薄膜具有克服了背景技术中存在的不足。

以下用实施例对本发明的技术方案和进步性做进一步的阐述：

实施例一

纳米材料改性：

取30g氟碳表面活性剂牌号为FN-80，加到200ml甲苯溶剂中，待完全溶解后，将200g纳米氧化硅粉体慢慢的加入到上述含有表面活性剂的溶剂中搅拌，使其完全反应，再脱去甲苯，在干燥箱中干燥，干燥温度为120℃，最后经气流粉碎机分散，获得白色粉末状纳米改性材料。

实施例二、

将100g纳米氧化钛加入到800mL二甲苯中，然后在室温条件下搅拌，使其均匀混合，然后慢慢将8g氟碳表面活性剂加到混合液中，边加滴边用超声波分散，滴加完毕后，继续超声波搅拌10分钟，使完全反应。再从中脱去二甲苯，取得二氧化钛与氟碳表面活性剂的反应物，在烘箱中干燥，干燥温度为150℃最后经气流粉碎机分散，获得改性纳米二氧化钛粉体。

其它改性粉体按上述方法可获得改性纳米氧化锌、纳米氧化铝等纳米材料。

实施例三

纳米复合粉体的制备

将实施例一、二制备的纳米改性粉体，按下列配方比例

1、原材料选择：

a.纳米抗菌材料：粒径30nm的二氧化硅；

b.纳米催化材料：粒径为20nm二氧化钛；

c.纳米分解材料：粒径为60nm的氧化锌；

d.纳米界面材料：粒径为50nm的氧化铝。

e.纳米表面耗能材料：半径为10nm的二氧化钛.

2、配方比例：

a∶b∶c∶d∶e＝23％∶20％∶22％∶20％∶15％

3、工艺过程：

将上述改性的纳米材料按顺序和比例加入到搅拌混料机内，以150转/分的转速搅拌30分钟，待搅拌均匀后取出备用。

实施例四

纳米成膜浆料的制备

1、原料选用：

a.纳米改性混合材料0.5％；

b.氟碳成膜物质全氧烷基磺酸酰烷基丙烯酸脂5％；

c.功能助剂：选用脂肪醇聚氧乙烯醚0.1％；

d.分散介质为去离子水、电导率小于0.1。

2、配制比例：

a∶b∶c∶d＝0.5％∶5％∶0.1％∶94.4％

3、成膜浆料的制备工艺：

按上述比例准备好原材料，将功能助剂加入到分散介质去离子水中，加速搅拌，使功能助剂均匀的溶解在分散介质中，将改性后的纳米混合材料，慢慢加入到上述溶液中，用搅拌机以160转/分的转速，搅拌30分钟后，用乳化机进行分散10分钟，使纳米材料均匀的分散在液相中，再将氟碳成膜物质均匀的分散，慢慢的加入到已经分散好的纳米液相中，慢慢搅拌使成膜物质溶解均匀备用。

实施例五

织物纳米结构薄膜制备：

将即要原位成膜的纤维织物洗净，用喷涂的方法将上述浆料均匀的喷涂在纤维织物表面，反复二遍，将喷涂好浆料的纤维织物放到150℃的干燥设备中，干燥1分钟，即得到具有纳米结构薄膜纤维织物。

实施例六

玻璃制品表面纳米结构薄膜的制备：

将玻璃制品表面清洗干净，用粘泡的方法将纳米成膜浆料附着在玻璃制品表面，取出玻璃制品，放入120℃的干燥箱进行烘干5分钟，取出冷却。

实施例七

车体表面纳米结构薄膜的制备：

将车体表面清洗干净，用纳米成膜浆料均匀喷涂在车体表面，将车体置入烘干室内，在80℃的条件下，加热10分钟。

实施例八

砖石木质结构墙体表面纳米薄膜的制备：

将砖、石木质结构的墙体表面清理干净，用喷涂的方法将上述浆料均匀的喷涂在墙体表面，用红外热源与墙体表面接触，其接触温度为100℃情况下5分钟即可实现纳米薄膜的墙体表面。

以上技术方案是本发明中较佳实施例而已，并不对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质做工艺等同变化，比例修改等均属本发明范围。

Claims (4)

1、一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用其特征在于：该技术方案中所制备的纳米结构薄膜的组成是由小于100nm的纳米氧化物复合粉体、氟碳成膜活性物质及氟碳表面活性剂所组成，纳米材料随机均匀的分布在成膜物质内，纳米结构薄膜以吸附、键合、渗透的形式与基材固为一体，该纳米结构薄膜为小于500nm，具有对水、油、尘埃、热电、磁、光等物质有离异分散功能；

2、根据权利要求1所述的一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用其特征在于：纳米材料改性工艺为：将纳米氧化硅、氧化钛、氧化锌、氧化铝粉体分别放入分散介质甲苯、二甲苯中进行分散，然后按纳米材料与氟碳表面活性剂之间的量比为1∶0.05-1∶0.1的比例填加在分散介质中，使纳米材料表面羟基与氟碳表面活性剂进行充分反应，最后加热除去分散介质，经过烘干而得到改性材料粉体；

3、根据权利要求1所述的一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用其特征在于：纳米成膜浆料的制备，其原料选择前述的纳米复合改性材料，成膜物质为氟烷基磺酸酰烷基丙烯酸脂5-10％，功能助剂为脂肪醇聚氧乙烯醚0.05％-0.1％；

4、根据权利要求1所述的一种制备多质离散效应纳米结构薄膜的方法和应用其特征在于：将成膜浆料用喷涂、浸轧方法将成膜浆料置于基材表面，包括布料、织物、玻璃制品、车体、桌台、墙面等，用烘干设备将其升温、干燥即可得到原位复合多质离散效应纳米结构薄膜。