具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及高分子复合材料领域，公开了一种具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，具体步骤为：将二维无机纳米粉体分散于低沸点有机溶剂A中，超声分散20～30 min形成分散液；在高速搅拌下将分散液分散于水性聚氨酯乳液中，并加入蒸发速率小于低沸点有机溶剂A的低沸点有机溶剂B，常温搅拌20～30 min，得到水性聚氨酯/无机纳米复合材料乳液；将其倒入模具中，在烘箱中干燥得到仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层。本发明专利技术通过A、B两种溶剂蒸发速率不同，无机纳米粉体与水性聚氨酯通过分子自组装和界面自组织形成收缩，制备出仿生自下而上微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层。

【技术实现步骤摘要】
具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法
本专利技术涉及高分子复合材料领域，特别涉及一种利用水性聚氨酯和二维无机纳米粉体制备具有仿生微图案化复合材料涂层的制备方法。
技术介绍
图案化表面广泛存在于自然界中，如宏观的山脉、生物体的皮肤及荷叶等植物的微纳米图案，除具有美学价值外，还具有超疏水、自清洁、控制粘附及特殊的光学性能，在生物、光电、能源、环境等领域具有重要的研究价值和潜在的应用前景。近年来，构筑仿生微图案化表面成为材料表面科学研究的热点之一。目前，表面微图案化技术主要分为自上而下和自下而上两类。自上而下主要包括激光刻蚀、化学刻蚀、光刻、平板印刷和压印等，技术较为成熟、重复性好，但其制备过程复杂、成本高、大面积制备较为困难；而自下而上技术主要通过仿生分子自组装和界面自组织制备出微图案化，其制备过程简单、成本较低、可大面积制备。因此，近年来，通过仿生分子自组装和界面自组织制备表面微图案化成为研究的重点。分子自组装是指分子之间通过氢键、范德华力、偶极-偶极力、亲水-疏水力以及它们之间的协同作用等弱的非共价键相互作用力自发形成自下而上稳定有序的结构。其优点为：分子单元通过自组装可以在空间的尺寸和方向上实现重排与重新组合，制备出具有光、电、催化等新功能和特性的图案化结构。例如，CN107983601A、CN108341984A通过亲水-疏水力引发分子自组装制备出微图案化表面。界面自组织是指在外界刺激下，亚稳态体系的热力学平衡被打破，同时体系内产生复杂的应力。根据最低能量原理，为了达到新的热力学平衡，亚稳态体系必须释放掉内部过多的应力，这种应力释放通常通过体系界面自组织形成一定的图案来完成。因此，界面自组织行为通常伴随着自下而上表面图案的生成。与传统复杂的微图案加工技术相比，界面自组织技术只是利用体系本身内部特殊的不稳定性来构筑微图案化表面，图案的形成是在加工时自发形成，具有操作简便，能够大面积制备，成本低廉等优点，并且微结构生成的方式完全是从体系内部自下而上一步自发形成，更具有仿生意义。国内上海交通大学印杰课题组通过结合表面自组装、相分离、紫外光固化技术和界面自组织技术，制备出仿生图案化光固化涂层；CN109206828A通过紫外光诱导制备出表面自褶皱图案。水性聚氨酯（WPU）以水为分散介质，安全环保，且具有优异的成膜性、附着力强、制品透气性好、质地柔软，因此对水性聚氨酯涂层表面微图案化的研究具有重要的现实意义。另一方面，无机纳米粉体具有丰富的表面形态，在稳定剂的作用下，可通过LB技术、氢键、液体的界面张力、毛细管力、磁场力、剪切力和固体界面修饰等，诱导它们在界面发生自组装，形成微结构表面。二维无机纳米粉体如六方氮化硼、石墨烯、氧化石墨烯等本身也具备丰富的二维形态，但是基于二维无机纳米粉体和聚合物之间相互作用形成微图案化的研究很罕见。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，具体为二维无机纳米粉体与水性聚氨酯通过分子自组装和界面自组织，制备自下而上仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的方法。。技术方案：本专利技术提供了一种具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：将二维无机纳米粉体分散于低沸点有机溶剂A中，超声分散20～30min形成分散液；在高速搅拌下将分散液分散于水性聚氨酯乳液中并加入与所述低沸点有机溶剂A蒸发速率不同的低沸点有机溶剂B，常温搅拌20～30min，得到水性聚氨酯/无机纳米复合材料乳液；将其倒入模具中，在烘箱中干燥得到仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层。优选地，所述二维无机纳米粉体为片层结构的六方氮化硼、石墨烯、氧化石墨烯，直径为20～100nm。优选地，所述低沸点有机溶剂A和所述低沸点有机溶剂B为能够与水混溶的醇类、酮类、醚类或酯类，沸点低于80℃。优选地，所述二维无机纳米粉体与所述低沸点有机溶剂A的质量比为1:5～20。优选地，所述低沸点有机溶剂A与所述低沸点有机溶剂B的质量比为1:0.2～5。优选地，所所述水性聚氨酯乳液为涂层专用型水性聚氨酯乳液。优选地，所述二维无机纳米粉体与所述水性聚氨酯乳液的质量比为20～50:100。优选地，在所述烘箱中的干燥温度为40～80℃，干燥时间为0.5～24h。优选地，所述低沸点有机溶剂A为丙酮，所述低沸点有机溶剂B为无水乙醇。工作原理及有益效果：本专利技术将二维无机纳米材料与水性聚氨酯乳液通过机械搅拌法混合均匀，通过加入蒸发速率不同的低沸点有机溶剂A和低沸点有机溶剂B（先与A混合均匀后，B加入才更好进一步混合均匀），制备出水性聚氨酯/无机纳米复合材料乳液。在干燥成膜过程中，通过界面自组织和分子自组装形成仿生自下而上微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层，归因于以下原因：（1）A、B两种低沸点有机溶剂的蒸发速率不同（A的蒸发速率>B的蒸发速率），体系处于亚稳态，为了释放应力，界面自组织形成微图案；（2）二维无机纳米粉体由于π键的存在，分子间通过π-π相互作用力自发形成自下而上稳定有序的结构，得到仿生微图案化涂层；（3）二维无机纳米粉体表面的-OH或-NH2与水性聚氨酯分子中的氨基甲酸酯（-NH-COO-）形成氢键，有机-无机界面发生自组装形成微图案。本专利技术通过A、B两种低沸点有机溶剂蒸发速率的不同，一方面，体系处于亚稳态，为了释放应力，无机纳米粉体与水性聚氨酯乳液通过界面自组织形成收缩；另一方面，在蒸发过程中，具有更好分散二维无机纳米粉体能力的A组分的蒸发速率快于B组分的蒸发速率，随着A组分的减少，二维无机纳米粉体间通过π-π作用逐渐堆积生长，形成稳定有序的结构，而水性聚氨酯高分子链粘结定型，从而制备出仿生自下而上微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层；本专利技术的仿生微图案化制备工艺可室温操作，简单易行，原料易得且成本较低，适用于工业化生产。附图说明图1为实施方式1制备得到的微图案化的水性聚氨酯/纳米氮化硼涂层表面的偏光显微镜照片；图2为实施例1中纯水性聚氨酯（a）与微图案化水性聚氨酯/纳米氮化硼复合材料（b）的紫外光谱图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的介绍。实施方式1：称取纳米六方氮化硼10g，加入30ml丙酮中，超声分散30min得分散液；在分散液中加入100g固含量为30%的水性聚氨酯乳液，高速搅拌下加入20ml无水乙醇，继续搅拌30min，得到水性聚氨酯/纳米氮化硼乳液；取适量上述乳液倒入PP盒中，60℃干燥24h，得到仿生微图案化水性聚氨酯/纳米氮化硼涂层。制备得到的微图案化水性聚氨酯/纳米氮化硼涂层表面偏光显微镜照片如图1所示。从图1可以看出：制备出了规则的羽毛状仿生图案。图2分别为（a）为纯水性聚氨酯;（b）微图案化水性聚氨酯/纳米氮化硼复合材料的固体紫外光谱图，从图中可以看出：复合材料的紫本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二维无机纳米粉体分散于低沸点有机溶剂A中，超声分散20～30 min形成分散液；在高速搅拌下将分散液分散于水性聚氨酯乳液中，并加入蒸发速率小于所述低沸点有机溶剂A的低沸点有机溶剂B，常温搅拌20～30 min，得到水性聚氨酯/无机纳米复合材料乳液；将其倒入模具中，在烘箱中干燥得到仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二维无机纳米粉体分散于低沸点有机溶剂A中，超声分散20～30min形成分散液；在高速搅拌下将分散液分散于水性聚氨酯乳液中，并加入蒸发速率小于所述低沸点有机溶剂A的低沸点有机溶剂B，常温搅拌20～30min，得到水性聚氨酯/无机纳米复合材料乳液；将其倒入模具中，在烘箱中干燥得到仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层。


2.根据权利要求1所述的具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，其特征在于：所述二维无机纳米粉体为片层结构的六方氮化硼、石墨烯、氧化石墨烯，直径为20～100nm。


3.根据权利要求1所述的具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，其特征在于：所述低沸点有机溶剂A和所述低沸点有机溶剂B为能够与水混溶的醇类、酮类、醚类或酯类，沸点低于80℃。


4.根据权利要求1所述的具有仿生微图案化水性聚氨酯/无机纳米复合材料涂层的制备方法，其特征在于：所述二维无机纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓燕，倪伶俐，陆晓庆，夏正旺，王雨星，姜孝武，蔡鹏，冯良东，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32