一种透明耐用超疏水新型材料涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种透明耐用超疏水新型材料涂层及其制备方法，由以下质量百分比的成分组成：纳米陶瓷颗粒混合物1~20%，氟硅氧烷偶联剂0.1~5%，硅酸酯1~10%，催化剂0.01~0.1%和水1~10%，其余是有机溶剂。本发明专利技术的涂层应用范围十分广泛，透光率高、超疏水而且使用寿命长，可以很好的附着在金属、玻璃、陶瓷和各种有机塑料的表面。

【技术实现步骤摘要】
一种透明耐用超疏水新型材料涂层及其制备方法
本专利技术属于涂层制备领域，具体涉及一种透明耐用超疏水新型材料涂层及其制备方法。
技术介绍
疏水和亲水是描述水和固体接触时的润湿现象。当液体润湿固体表面时，原本气-固的界面被液-固的界面所取代，而气-固与液-固之界面张力的差，称之为“湿润张力”。当气-固的界面张力大于液-固的界面张力时，也就是固体和液体间的吸引力大于固体和气体间的吸引力时，固体和气体间的界面张力会将液-固界面拉伸。换句话说，被湿润的固体表面有较低的界面张力，因此液体会在固体表面扩张。当液体滴在固体表面上时，固体表面和液滴切线的夹角，就是所谓的接触角。而湿润张力和接触角的关系，可以用杨氏公式表述：气-固界面张力，液-固界面张力，气-液界面张力，杨氏接触角。杨氏公式只适用于完全光滑的固体表面。Wenzel确定了当液体直接接触微结构化的表面时，θ角会转变为θW,其中，r为实际面积与投影面积的比率。Wenzel的方程显示了微结构化一个表面将会放大表面张力。疏水性表面（具有大于90°的接触角）在微结构化之后会变得更加疏水，其新的接触角将比原来增大。然而，一个亲水性表面（具有小于90°的接触角）在微结构化之后却会变得更加亲水，其新的接触角将比原来减小。Cassie和Baxter发现如果液体悬浮在微结构表面，θ角将会变为θCB,其中，φ为固体与液体接触面积的比例。在Cassie-Baxter状态下的液体比Wenzel状态下更具有运动性。Cassie-Baxter的方程显示了即使是一个亲水性表面，在悬浮微结构，其新的接触角也可以表现出疏水性。通过用以上两个方程计算出的新接触角，我们可以预测Wenzel状态或Cassie-Baxter状态是否应该存在。由于有自由能最小化的限制，预测出具有更小的新接触角的状态就会更可能存在。从数学上来说，要使Cassie-Baxter稳定状态存在，以下的不等式必须成立。从微观结构角度，判断Cassie-Baxter状态是否存在的替代标准是：1)接触线力克服液滴未被支撑部分的重力；2)微结构足够高从而阻止液滴接触微结构的基底。接触角是静态测量疏水性的方法，接触角滞后和滑动角则对疏水性的动态测量法。接触角滞后是一种鉴定表面异质性的现象。当移液器将液体注到固体表面时，液体就会形成一定的接触角。随着注入液体的增加，液滴的体积会随之增加，接触角也会变大，但三相边界会保持固定直到液体突然溢出。在液体溢出前瞬间的接触角被称为前进接触角。回退接触角可以通过将液体从液滴中吸出来测量。随着液体被吸出，液滴的体积减小，接触角也减小，但三相边界同样保持固定直到被完全吸回。在液体被吸回瞬间的接触角被称为回退接触角。而前进接触角和回退接触角之间的差异就是接触角滞后，它被用来鉴定表面的异质性、粗糙性和运动性。非同质的表面会有能够阻碍接触线的区域。滑动角是另一种动态测量疏水性的方法：在固体表面放置一个液点，倾斜表面直到液滴开始滑动，此时的倾斜角即为滑动角。处于Cassie-Baxter状态的液滴通常会表现出比Wenzel状态更小的滑动角和接触角滞后。所以Cassie-Baxter状态是比较理想的疏水表面。涂层是一种改变已有材料润湿性能的高效费比的方法。—般来说超疏水的涂层与水的接触角大于150°、滚动角小于10°。超疏水涂层具有自洁性，防污防油性，防腐性等优异的表面性能，在实际的生产及生活中有着广阔的应用前景。超疏水涂层可用于汽车、飞机、轮船等的外墙玻璃及其外壳的涂层，可有效到达防水防雾、减小摩擦系数、增加防腐防污性能等；在石油管道及一些用于运输容器的内壁中应用，可起到降低摩擦、防粘、防堵塞、防渗透等；在纺织及皮革行业中应用时，能起到防水防油且耐候性能等。利用表面能低的材料比如氟硅材料，采用刻蚀技术、溶胶凝胶、化学气相沉积、聚合物溶液成膜、模板技术、电纺技术、电化学方法等简单有效的方法构造和调控涂膜的双微观结构，从而获得表面粗糙度和微观构造适宜Cassie-Baxter状态存在，是实现超疏水涂膜工业化生产的可行途径。自洁防水涂层已经发展了两代产品。好瑞佳是比较有带表性的一代自洁涂层。它的自洁机理是一种被动模式。好瑞佳涂层本身是亲水性的，有很好的附着力，其自洁功能来自于涂层里的纳米颗粒催化分解水分，这种被动的自洁方式需要很长时间和特定条件才能发挥作用，比如在没有光线的情况下，水在被分解前就蒸发了，水中的杂质就会留在器物表面上。第二代涂层是基于疏水材料,比如美国生产的ULTRADRY，其表面能非常低，水分难于附着其表面，但是涂层本身的附着力也很差，一般需要中间介质，即便如此，使用寿命一般也只有1年左右。而且常见的超疏水表面由于表面的粗糙结构且不透明，从而限制了其应用范围，既有超疏水性又在可见光范围内透明性好的表面在镜片、挡风玻璃等应用领域很有吸引力。高透光率一般有两种途径：1.涂层表面微结构尺度控制在30-100nm范围内，微结构的尺寸远小于可见光的波长，所以透明性很好。2.涂层中引入平均尺寸为约100-500nm的许多孔，而且大多数孔是彼此隔开的。这种方法还在大多数波长范围内显示出高透明性，但制备成本较高。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种透光率高、超疏水、耐用的材料涂层及其制备方法。本专利技术采用如下技术方案：一种透明耐用超疏水新型材料涂层，由以下质量百分比的成分组成：纳米陶瓷颗粒混合物1~20%，氟硅氧烷偶联剂0.1~5%，硅酸酯1~10%，催化剂0.01~0.1%和水1~10%，其余是有机溶剂。在本专利技术的优选的实施方案中，所述的纳米陶瓷颗粒的直径在5到200纳米，更优选是10到150纳米，最优选是30到100纳米，其形状优选是圆形。在本专利技术的优选的实施方案中，所述的纳米陶瓷颗粒选自TiO2，SnO，Al2O3，SiO2中的一种或几种的组合，更优选是SnO，Al2O3，SiO2中的一种或几种的组合，最好是Al2O3，SiO2中的一种或几种。本专利技术还保护上述透明耐用超疏水新型材料涂层的制备方法，按配比将各组分混合得到涂层混合物，在室温到60℃下搅拌90~180分钟，然后将涂层混合物采用压力喷涂或是直接浸润,再在80-120℃在干燥15-60分钟或在室温下放置24h以上。在本专利技术的优选的实施方案中，由于纳米陶瓷颗粒是高温烧结而成，并且没有接触过湿润空气，则纳米陶瓷颗粒必须做表面活化处理。活化处理的目的是增加表面–OH键的数目，由于纳米金属氧化物表面十分活泼，所述的活化处理为与水接触。活化处理后的纳米颗粒十分容易结团，必须及时进行后续表面处理。表面处理的关键是硅烷偶联剂。这是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物，其经典产物可用通式RSiX3表示。式中，R为非水解基团，包括链烯基（主要为乙烯基），以及末端带有Cl、NH2、SH、环氧、N3、（甲基）丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团的烃基，即碳官能基；X为可水解基团，包括Cl,OMe,OEt,OC2H4OCH3,OSiMe3,及OAc等。由于这一特殊结构，硅烷偶联剂分子中同时具有能和无机质材料（如玻璃、硅砂、金属和金属氧化物等）化学结合的反应基团及有低表面能的有机质基团，十分适用于表面处理。本专利技术利用了两种不同的偶联剂:氟硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明耐用超疏水新型材料涂层，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：纳米陶瓷颗粒混合物1~20%，氟硅氧烷偶联剂0.1~5%，硅酸酯1~10%，催化剂0.01~0.1%和水1~10%，其余是有机溶剂。

【技术特征摘要】
1.一种透明耐用超疏水新型材料涂层，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：纳米陶瓷颗粒混合物1~20%，氟硅氧烷偶联剂0.1~5%，硅酸酯1~10%，催化剂0.01~0.1%和水1~10%，其余是有机溶剂。2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述的纳米陶瓷颗粒选自TiO2，SnO，Al2O3，SiO2中的一种或几种的组合，更优选是SnO，Al2O3，SiO2中的一种或几种的组合，最好是Al2O3，SiO2中的一种或几种；所述的纳米陶瓷颗粒的直径在5到200纳米，更优选是10到150纳米，最优选是30到100纳米，其形状优选是圆形。3.根据权利要求1中所述的涂层，其特征在于，所述的氟硅氧烷偶联剂为：其中，n在4到17之间,m在1到4之间,R有1到6个碳原子，优选为十三氟辛基三乙氧基硅烷；所述的硅酸酯为：其中，R是疏水基,X是亲水基，优选为正硅酸四乙酯，其质量百分比为1-5%。4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，硅氧烷偶联剂总和与纳米颗粒质量比为1:5；更优选为1:2。5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述的催化剂选自硝酸，醋酸和盐酸。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄建生，
申请(专利权)人：超为科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11