一种透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备方法技术

本发明专利技术公开了一种透明超疏水或超双疏涂层的规模化制备方法，是先将纳米粒子超声分散在醇‑水混合体系中，再在酸或碱催化作用下，使纳米粒子与无氟或含氟有机硅烷进行水解、缩合反应，制得无氟或含氟有机硅烷聚合物‑纳米粒子复合物的透明悬浮液；然后通过喷涂或浸涂将该复合物透明悬浮液施于基底材料表面，得到性能良好的透明超疏水或超双疏涂层。本发明专利技术可在1小时内完成10‑100 m

【技术实现步骤摘要】
一种透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备方法
本专利技术涉及一种超疏水或超双疏涂层的制备，尤其涉及一种透明超疏水或超双疏涂层的规模化制备方法，属于表面仿生涂层制备

技术介绍
荷叶在中国自古就有“出淤泥而不染”的美誉。水滴在荷叶表面处于Cassie-Baxter状态，可从荷叶表面滚落，同时带走荷叶表面的颗粒污染物。因此，荷叶具有神奇的自清洁效应。受荷叶自清洁效应的启发，仿生超疏水涂层的研究受到了广泛的关注，目前已有大量有关超疏水涂层的报道。研究表明，将适当的表面微-纳结构和低表面能物质相结合即可制得超疏水涂层。超疏水涂层虽然对水滴具有极高的接触角和较低的滚动角，却极易被低表面能液体润湿，从而丧失其自清洁性能。超双疏涂层对水和低表面能液体均具有极高的接触角和较低的滚动角，但相对于超疏水涂层在理论上和技术上更难制备；低表面能液体往往仅具有较高的接触角，但却牢固粘附于表面，液滴处于Wenzel状态，从而并不具有独特的自清洁性能。目前仅有少量研究通过设计独特的表面结构，如“overhang”结构、“re-entrant”结构、蜡烛灰和有机硅烷聚合物纳米纤维等，制备了具有极高接触角和较低滚动角的超双疏涂层。由于其独特的自清洁性能，超疏水、超双疏涂层在自清洁表面、油水分离、流体减阻、抗结冰和防腐等领域具有广阔应用前景。然而，超疏水或超双疏涂层的制备普遍存在以下问题：（1）不透明或透明性不高。高透明性是超疏水或超双疏涂层在窗户、光学设备和眼镜等玻璃基底上进行应用的重要性能之一。然而，超疏水或超双疏涂层的表面具有微-纳结构，这往往会导致光线在涂层表面的散射，降低涂层的透光率，甚至不透明。研究表明，当表面的粗糙度小于可见光波长的四分之一，即100nm时，可显著减小光线在可见光区的散射，从而提高涂层的透明性。目前，已有一些报道通过气相沉积法、模板法和层层自组装等方法制备了透明度较高的超双疏涂层。专利CN101407648B公开了一种通过电泳法制备透明超疏水二氧化硅涂层的方法：首先将二氧化硅胶体沉积到导电衬底上，再进行热处理，最后经疏水处理制得超疏水透明涂层。专利CN101519278B通过基底处理、溶液配制、层层自组装、热处理和疏水物质修饰等步骤制备了透明超疏水涂层，具有较好超疏水性能和透光率。专利CN103060773B通过粉体分散、进入引发剂、喷涂和化学气相沉积等步骤制备了透明超疏水涂层。专利CN102140251B公开了一种以含氢硅油固化物为基体的透明超疏水涂层的制备方法，通过在聚合物基体中添加含氟硅链段的二氧化钛改性颗粒经固化成型而制得。专利CN103524053B通过基底处理、核壳结构制备、微-纳结构组装、涂层热处理和疏水物质修饰等步骤，制备了透明超疏水涂层。专利CN103553359B首先在基底上沉积一层烟灰，然后经气相沉积、去模板化和气相修饰制备了透明超疏水涂层。专利CN104231916B以丙酮为溶剂制备了二氧化硅颗粒和硅橡胶预聚物溶液，将二者混合后再加入水，通过喷涂法制备了透明超疏水涂层。专利CN103626403B采用炭黑和碳纳米管为模板，通过溶胶-凝胶化、喷涂、高温氧化分解和表面氟硅烷修饰等步骤，制备了超双疏涂层，液滴滚动角<10°，透光率>75%。（2）制备方法复杂昂贵，难以进行大面积制备。虽然上述报道公开了多种制备透明超疏水或超双疏涂层的方法，但存在制备方法复杂昂贵（气相沉积）、需多步反应和步骤（层层自组装、微纳结构构筑-表面修饰方案）、局限于单一基底材料（导电基底、耐高温基底）和小尺寸基底材料、透明度不高等问题。（3）稳定性差。现有有关透明超疏水或超双疏涂层的文献和专利报道，通过复杂昂贵的方法制得了透明超疏水或超双疏涂层，但存在机械稳定性、化学稳定性和环境稳定性较差等稳定性方面的致命缺陷，这极大限制了透明超疏水或超双疏涂层的实际应用。因此，如何通过简单的方法制得稳定的透明超疏水或超双疏涂层，实现透明超疏水或超双疏涂层的规模化制备是本领域迫切需要解决的问题，可促进仿生自清洁涂层的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有透明超疏水或超双疏涂层性能和技术方面存在的问题，提供一种透明超疏水或超双疏涂层的规模化制备方法。（一）透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备本专利技术透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备方法，是先将纳米粒子超声分散在醇-水混合体系中，再在碱或酸催化作用下，使纳米粒子与无氟/含氟有机硅烷进行水解、缩合反应，制得无氟/含氟有机硅烷聚合物-纳米粒子复合物的透明悬浮液；然后通过喷涂或浸涂将该复合物透明悬浮液施于基底材料表面，得到透明超疏水/超双疏涂层。所述纳米粒子为蒙脱石、锂皂石、凹凸棒石、水滑石、高岭石、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化铝、碳纳米管、氧化石墨烯或纳米纤维素中的至少一种；纳米粒子的粒径为5~60nm。所述醇-水混合体系中，醇为甲醇、乙醇、丙醇和乙二醇中的至少一种；醇与水的体积比为80:1~2:1。纳米粒子在醇-水混合体系中的质量百分数为0.01~2.5%；无氟/含氟有机硅烷体在醇-水混合体系中的体积百分数为0.02%~25%。所述作为催化剂的碱为氨水、乙二胺、三乙胺、氢氧化钠、氢氧化钾、甲基硅酸钠和甲基硅酸钾中的至少一种；所述作为催化剂的酸为盐酸、硫酸、醋酸、草酸、甲酸中的至少一种；催化剂在醇-水混合体系中的质量百分数为0.2%~10%。所述无氟/含氟有机硅烷与纳米粒子的水解、缩合反应是在0~80℃下进行1~48h。所述基底材料为平滑或粗糙的玻璃、陶瓷、石材、混凝土、金属、塑料、橡胶、木材、皮革或织物。所述喷涂是在喷涂压力为0.1~0.6MPa，喷涂距离为10~150cm的条件下，将复合物悬浮液喷涂于基底材料表面。所述浸涂是将基底材料浸渍于复合物悬浮液中保持1~10min，然后自然晾干或在60~150℃下处理3~30min。所述含氟有机硅烷为全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三氯硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、全氟辛基二甲基甲氧基硅烷、全氟癸基二甲基氯硅烷、全氟癸基二甲基甲氧基硅烷中的至少一种。采用含氟有机硅烷制备的涂层为透明超双疏涂层。透明超双疏涂层的透光率为90%以上（600nm）；5µL水滴在上述涂层上的接触角为160°~166°，滚动角为1~3°；5µL正癸烷液滴在上述涂层上的接触角为153°~165°，滚动角为5~8°；10kPa水柱冲刷10min、饱和氯化钠中浸泡5天、实验室放置180天或紫外辐照96h后，液滴接触角>155°，滚动角<10°。所述无氟有机硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯和正硅酸甲酯中的至少一种。采用无氟有机硅烷制备的涂层为透明超疏水涂层。透明超疏水的透光率>88%（本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备方法，是先将纳米粒子超声分散在醇‑水混合体系中，再在酸或碱催化作用下，使纳米粒子与无氟/含氟有机硅烷进行水解、缩合反应，制得无氟/含氟有机硅烷聚合物‑纳米粒子复合物的透明悬浮液；然后通过喷涂或浸涂将该复合物透明悬浮液施于基底材料表面，得到透明超疏水/超双疏涂层。

【技术特征摘要】
1.一种透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备方法，是先将纳米粒子超声分散在醇-水混合体系中，再在酸或碱催化作用下，使纳米粒子与无氟/含氟有机硅烷进行水解、缩合反应，制得无氟/含氟有机硅烷聚合物-纳米粒子复合物的透明悬浮液；然后通过喷涂或浸涂将该复合物透明悬浮液施于基底材料表面，得到透明超疏水/超双疏涂层。2.如权利要求1所述一种透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备方法，其特征在于：纳米粒子为蒙脱石、锂皂石、凹凸棒石、水滑石、高岭石、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化铝、碳纳米管、氧化石墨烯或纳米纤维素中的至少一种；纳米粒子的粒径为5~60nm。3.如权利要求1所述一种透明超疏水/超双疏涂层的规模化制备方法，其特征在于：所述含氟有机硅烷为全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三氯硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、全氟辛基二甲基甲氧基硅烷、全氟癸基二甲基氯硅烷、全氟癸基二甲基甲氧基硅烷中的至少一种；所述无氟有机硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯和正硅酸甲酯中的至少一种。4.如权利要求1所述一种透明超...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊平，李步成，高子茜，于勃，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62