一种超疏水自清洁涂层及其制备方法技术

本发明专利技术总体地属化工新材料和功能纳米材料领域，提供了一种超疏水自清洁涂层及其制备方法，涂层包括SiO

【技术实现步骤摘要】
一种超疏水自清洁涂层及其制备方法
本专利技术总体地属化工新材料和功能纳米材料领域，具体地涉及一种超疏水自清洁涂层及其制备方法。
技术介绍
自然界中存在很多超疏水的生物现象，最具代表的两种是“荷叶效应”和“玫瑰花瓣效应”。荷叶表面和玫瑰花瓣表面都有很强的疏水性，静态接触角均大于150°，不同的是荷叶表面对水滴的粘附力很小，水珠很容易从荷叶表面滚落，同时可以将其表面的灰尘带走，实现“自清洁”的目的，这种现象被称为“荷叶效应”；而玫瑰花瓣表面却对水滴有很强的粘附性，即使将花瓣倒转180°，其表面的水珠也不会掉落，这种现象即“玫瑰花瓣效应”。自然界中种种超浸润的现象引起了研究者的广泛关注，这些现象不仅有很高的研究价值，同时还具有很高的实用价值。例如，类似于荷叶的超疏水自清洁表面可以被广泛地应用于墙体涂料等领域；而具有高粘附性的类玫瑰花瓣表面可用于生物或医学中微量液滴的无损运输。然而超疏水自清洁涂层在实际应用过程中还存在很多问题需要解决。例如，在现实环境中，除了灰尘以外，有机污染物也会附着于墙体涂层表面，一般的超疏水涂层并不能将这些有机污染物去除，随着污染物的不断累积，涂层表面的超疏水性能也会逐渐丧失。此外，目前文献中报道的超疏水涂层通常还存在制备流程复杂、苛刻，难以大规模应用，对涂层表面进行疏水处理常用到含氟的有机物，不仅价格昂贵，而且容易对环境造成严重污染等问题。随着近年来超疏水领域研究不断深入发展，具有粘附性可调和光催化特性的超疏水表面引起了更多研究者的关注。相较于单一的超疏水表面而言，上述的多功能超疏水界面的应用价值显然更高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超疏水自清洁涂层及其制备方法，所述涂层以SiO2和TiO2为原料，首先将TiO2负载于SiO2微球表面，制备出“微纳二元结构”，再配合低表面能物质聚二甲基硅氧烷(PDMS)的修饰，成功制备出具有超疏水性能、对水滴具有很高粘附力的涂层。本专利技术涂层经过短暂的紫外光或太阳光照射或者300-400℃左右焙烧后，涂层的疏水性会进一步增强，但其表面对水的粘附性却会急剧降低，水滴在其表面变得很容易滚动，此时的涂层不仅具有类似荷叶的超疏水自清洁性能，还能在紫外光照射的条件下将有机染料降解。焙烧后的涂层再次进行光照处理，其疏水性又变低，变为亲水状态；亲水表面经过焙烧处理后又恢复到超疏水状态，如此，通过焙烧和光照的交互处理，实现涂层的超疏水状态和亲水状态可逆变换，进而粘附性和润湿性可调，本专利技术涂层不仅绿色环保，而且成本低廉，可操作性强。本专利技术中的“超疏水”表示水滴在涂层表面的静态接触角大于150°本专利技术的技术方案是，一种超疏水自清洁涂层，它包括SiO2和TiO2、PDMS和油酸钠或硬脂酸钠，其中所述TiO2以纳米颗粒形式包覆在SiO2外表面；所述SiO2的粒径范围为1-10μm之间；所述TiO2的粒径范围为20-30nm之间。进一步的，上述SiO2和TiO2的质量比范围为：1:9～3:7；所述油酸钠或硬脂酸钠的质量为SiO2和TiO2的质量和的1％；所述PDMS的量为SiO2-TiO2复合粉体质量的1/4。进一步的，所述超疏水自清洁涂层适用的基底包括载玻片、木材、泡沫、混凝土和粘土砖块中的一种。本专利技术同时提供了上述超疏水自清洁涂层的制备方法，它包括以下步骤：(1)SiO2和TiO2的改性：将SiO2和TiO2粉体各自独立地放入两个烧杯中，分别加入少量蒸馏水使其分散，然后向上述两个烧杯中各自独立地加入油酸钠和/或硬脂酸钠，再进行搅拌；(2)SiO2-TiO2复合粉体的制备：将步骤(1)处理得到的TiO2悬浮液加入到SiO2悬浮液中，搅拌，然后用蒸馏水洗涤、烘干，再研磨后形成SiO2-TiO2复合粉体；(3)低表面能物质修饰：将步骤(2)所得的SiO2-TiO2复合粉体分散于无水乙醇中，然后加入PDMS，搅拌形成浆料；(4)超疏水涂层的制备：将待涂覆基底清洗、烘干，将步骤(3)所得浆料涂覆于基底表面，然后烘干，即得所述超疏水自清洁涂层。步骤(1)中的油酸钠或硬脂酸钠的作用是，其有机碳链附着于SiO2和TiO2表面，随后SiO2和TiO2表面的碳链相互吸引、勾连在一起，使得TiO2更好地负载于SiO2表面。进一步的，本专利技术制备方法还包括低粘附性处理的步骤(5)，所述低粘附性处理的方法为使用300W紫外光或太阳光照射步骤(4)烘干后的涂层表面5min，或者将步骤(4)烘干后的涂层表面置于300-400℃的马弗炉中焙烧2h。更进一步的，当步骤(5)中选用将步骤(4)烘干后的涂层表面置于300-400℃的马弗炉中焙烧2h时，本专利技术制备方法还包括将涂层由超疏水状态转变为亲水状态的处理步骤(6)，所述步骤(6)的处理方法为使用300W紫外光或太阳光照射步骤(5)中的涂层表面5min。还进一步的，步骤(6)之后的本专利技术制备方法还包括将涂层由亲水状态恢复到超疏水状态的处理步骤(7)，所述步骤(7)的处理方法为：将步骤(6)中使用300W紫外光或太阳光照射后的涂层置于300-400℃的马弗炉中焙烧2h。还进一步的，本专利技术制备方法还包括在所述(7)之后重复步骤(6)～步骤(7)的处理操作，重复的次数为2-3次，以使涂层在亲水状态与超疏水状态之间转换；当重复次数大于3次时，涂层最终变为亲水状态，不再发生亲水或疏水的状态改变。从上可以看出，本专利技术中步骤(5)的三种方案包括：紫外光照、太阳光照以及焙烧。而步骤(6)中涂层由超疏水状态变为亲水状态只有在步骤(5)中采用焙烧方案后才有效，采用另外两种方案(紫外光或太阳光照)处理后的涂层不能由超疏水状态变为超亲水状态。进一步的，上述步骤(1)中的搅拌时间为1h；所述步骤(2)中的搅拌时间为90min、搅拌速度为700rad/min；蒸馏水洗涤的次数为3-5次，烘干的温度范围为：100-110℃；所述步骤(3)中无水乙醇的加入量为SiO2-TiO2复合粉体质量的5倍；所述搅拌的时间为1h；所述步骤(3)中待涂覆基底清洗是指使用乙醇和蒸馏水中超声清洗待涂覆基底表面1h。进一步的，本专利技术制备方法步骤(4)中将步骤(3)所得浆料涂覆于基底表面的涂覆方式为喷涂、刷涂、滚涂方式中的一种。本专利技术相比现有技术的有益效果如下：(1)本专利技术的超疏水自清洁涂层通过使用PDMS对SiO2-TiO2复合粉体进行疏水修饰，制备出对水具有很高的粘附性的超疏水涂层，但经过光照或焙烧后该涂层对水的粘附性迅速降低，同时其疏水性却进一步增强，此时的涂层具有超疏水自清洁的性能。此外，在紫外光照射的条件下，该涂层还可将有机污染物有效降解；(2)通过对自然界中多种典型的超疏水生物现象进行研究发现，其表面的“微纳二元结构”和低表面能的生物质蜡对其表面的超疏水性起到了决定性的作用。本专利技术向自然学习，选用尺寸与荷叶表面微观结构相当的微米级的SiO2微球和纳米级的TiO2颗粒制备出具有“微纳二元结构”的SiO2-TiO2复合粉体，然后用低表面能物质PDMS对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超疏水自清洁涂层，其特征在于，它包括SiO

【技术特征摘要】
1.一种超疏水自清洁涂层，其特征在于，它包括SiO2和TiO2、PDMS和油酸钠或硬脂酸钠，其中所述TiO2以纳米颗粒形式包覆在SiO2外表面；所述SiO2的粒径范围为1-10μm之间；所述TiO2的粒径范围为20-30nm之间。


2.如权利要求1所述的超疏水自清洁涂层组分，其特征在于，所述SiO2和TiO2的质量比范围为：1:9～3:7；所述油酸钠或硬脂酸钠的质量为SiO2和TiO2质量和的1％；所述PDMS的质量为SiO2-TiO2复合粉体质量的1/4。


3.如权利要求1所述的超疏水自清洁涂层组分，其特征在于，它适用的基底包括载玻片、木材、泡沫、混凝土和粘土砖块中的一种。


4.一种如权利要求1-3中任一权利要求所述的超疏水自清洁涂层的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)SiO2和TiO2的改性：将SiO2和TiO2粉体各自独立地放入两个烧杯中，分别加入少量蒸馏水使其分散，然后向上述两个烧杯中各自独立地加入油酸钠和/或硬脂酸钠，再进行搅拌；
(2)SiO2-TiO2复合粉体的制备：将步骤(1)处理得到的TiO2悬浮液加入到SiO2悬浮液中，搅拌，然后用蒸馏水洗涤、烘干，再研磨后形成SiO2-TiO2复合粉体；
(3)低表面能物质修饰：将步骤(2)所得的SiO2-TiO2复合粉体分散于无水乙醇中，然后加入PDMS，搅拌形成浆料；
(4)超疏水涂层的制备：将待涂覆基底清洗、烘干，将步骤(3)所得浆料涂覆于基底表面，然后烘干，即得所述超疏水自清洁涂层。


5.如权利要求4所述的超疏水自清洁涂层的制备方法，其特征在于，还包括低粘附性处理的步骤(5)，所述低粘附性处理的方法为下列三种操作中的一种：a)使用300W紫外光照射步骤(4)烘干后的涂层表面5min；b)使用太阳光照射步骤(4)烘干后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炫，丁浩，孙思佳，汪杰，张涵，周润，李洋子，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11