一种微纳复合SiO2颗粒、微纳复合结构超疏水涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种微纳复合SiO2颗粒、微纳复合结构超疏水涂层及其制备方法和应用。该微纳复合SiO2颗粒包括小尺寸SiO2纳米颗粒和大尺寸SiO2亚微米颗粒；其中，小尺寸SiO2纳米颗粒表面修饰有氨基、烯基和有机氟基团；大尺寸SiO2亚微米颗粒表面修饰有环氧基；所述小尺寸SiO2纳米颗粒上的氨基和大尺寸SiO2亚微米颗粒上的环氧基经化学键合得到微纳复合结构。将该微纳复合SiO2颗粒与丙烯酸树脂自由基共聚制备得到微纳复合结构超疏水涂层。本发明专利技术制备得到的微纳复合SiO2颗粒结构刚性好、尺寸小，所制备得到的微纳复合结构超疏水涂层具有高透光性、良好的基材附着力和力学性能，同时实现超疏水效果。现超疏水效果。现超疏水效果。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳复合SiO2颗粒、微纳复合结构超疏水涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种微纳复合SiO2颗粒、微纳复合结构超疏水涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，超双疏仿生材料的制备研究是新材料的一个重要发展方向。研究发现，荷叶表面的蜡质层和微纳复合结构是其具有超疏水性的根本原因，构筑超双疏仿生界面的两个关键因素，一是材料表面具有微纳米级的复合结构，这种微纳复合结构决定材料是否具有超浸润特性，同时微纳结构的排列和取向能够决定表面的润湿状态和液体运动。二是表面的化学组成，具有一定表面张力的液滴在超疏液表面保持球形，难以停留在低表面能化的固体表面。而这些特性的实现通常需要利用低表面能化合物对粗糙表面进行修饰，使得粗糙表面拥有适当的表面自由能，因此选择合适的低表面能化合物对于构筑及制备超双疏材料有着十分重要的作用。
[0003]为了实现超双疏的表面构筑，最常用的方法是采用低表面能硅烷偶联剂修饰具有一定表面粗糙度特征的无机粒子。通过采用低表面能的含氟硅烷偶联剂对不同尺寸的SiO2粒子进行表面修饰，构造出对水接触角大于150
°
的超双疏涂层。然而，采用相关方法构建的超双疏涂层由于缺乏分子间交联密度来提供足够的涂层力学强度，也没有涉及无机粒子有序组装研究。
[0004]CN 108864778 A公开了一种双尺寸SiO2颗粒构成的微米
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纳米分级结构超疏水涂层及其制备方法，该专利技术将低表面能有机硅烷修饰的两种不同尺寸SiO2颗粒分散在乙醇中，可实现使用多种涂覆方法在多种基底表面构筑超疏水涂层；利用双尺寸SiO2颗粒具有微米
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纳米分级结构，能提高涂层表面的粗糙度，从而进一步增强涂层表面的疏水特性，并提高所得涂层结构和性能上的均一性。然而，该方案仅是采用两种不同尺寸的改性SiO2颗粒共混堆积而成一种分级微纳结构颗粒，两种不同尺寸的改性SiO2颗粒之间没有通过化学键合在一起，存在复合颗粒结构刚性差的问题；同时，两种不同尺寸的改性SiO2颗粒无序堆积，仅仅是通过增加涂层的表面粗糙度来实现超疏水效果，极大地影响了涂层的透光性，从而失去光学性能。
[0005]CN 108641050 A公开了一种水性超疏水材料的制备方法，该方法包括：(1) 利用硅烷偶联剂对二氧化硅表面进行改性，形成表面带有双键的二氧化硅；(2) 利用乳液聚合的方法在表面接枝上疏水的聚合物长链，制备出一种水性超疏水材料。然而，该方案采用乳液聚合法制备单一尺寸的二氧化硅纳米颗粒应用于超疏水涂层，与双尺寸的微纳复合颗粒制备的涂层相比，表面粗糙度较低，未能形成双尺寸的微纳复合结构，并且不具有与基材结合的活性基团，基材附着力以及力学性能差，不具有工业应用前景。
[0006]因此，开发一种具有结构刚性、高透光性，基材附着力以及力学性能好的超疏水材料具有重要的研究意义和应用价值。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有超疏水材料透光性差、基材附着力以及力学性能差的问题，本专利技术的目的在于提供一种微纳复合SiO2颗粒，所述微纳复合SiO2颗粒通过氨基和环氧基键合精准构筑，丙烯酰基和有机氟基团裸露，具有双重表面粗糙微观结构、尺寸小，能够实现光学性能好、低粗糙度因子、结构刚性及可聚合性的有机结合；并且，由于其表面含有活性丙烯酰基基团，能够与丙烯酸树脂自由基聚合后得到超疏水涂层，极大地增强了树脂的耐磨性、基材附着力和力学性能。
[0008]本专利技术的另一目的在于提供一种微纳复合SiO2颗粒的制备方法，利用小尺寸SiO2纳米颗粒与大尺寸SiO2亚微米颗粒之间的活性官能团通过化学反应构建出具有一定结构刚性的微纳复合结构。
[0009]本专利技术还有一目的在于提供了一种微纳复合SiO2颗粒在制备超疏水涂层中的应用。
[0010]本专利技术还有一目的在于提供了一种微纳复合SiO2颗粒构成的超疏水涂层的制备方法。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：
[0012]一种微纳复合SiO2颗粒，包括小尺寸SiO2纳米颗粒和大尺寸SiO2亚微米颗粒；其中，小尺寸SiO2纳米颗粒的平均粒径为5～50nm，表面修饰有氨基、烯基和有机氟基团；大尺寸SiO2亚微米颗粒的平均粒径为0.1～1.0μm，表面修饰有环氧基；所述小尺寸SiO2纳米颗粒上的氨基和大尺寸SiO2亚微米颗粒上的环氧基化学键合使得小尺寸SiO2纳米颗粒分布在大尺寸SiO2亚微米颗粒表面。
[0013]小尺寸SiO2纳米颗粒和大尺寸SiO2亚微米颗粒结合赋予所制备材料微米
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纳米分级结构，能提高所制备涂层表面的粗糙度，从而进一步增强涂层表面的疏水特性。
[0014]纳米SiO2颗粒具有小尺寸效应，研究发现，如果仅仅是大尺寸和小尺寸的 SiO2纳米颗粒的无序堆积，制备得到的涂层透光性不好，该涂层并不具备光学性能。当调控大尺寸的SiO2亚微米颗粒和小尺寸SiO2纳米颗粒的平均粒径，同时在小尺寸SiO2纳米颗粒表面修饰有氨基，大尺寸SiO2亚微米颗粒表面修饰有环氧基时，氨基可与环氧基键合，进而使得小尺寸SiO2纳米颗粒有序自组装(分布)在大尺寸SiO2亚微米颗粒表面，得到的微纳复合SiO2颗粒不仅结构刚性强，其小尺寸效应可得到充分发挥，由该微纳复合SiO2颗粒制备的涂层具有较好的光学性能，透光性强。
[0015]同时，因小尺寸SiO2纳米颗粒平均粒径小、容易团聚，在其表面修饰有机氟基团，能够极大地增加其分散性。
[0016]并且，在小尺寸SiO2纳米颗粒表面引入烯基，使加入微纳复合SiO2颗粒的复合树脂含有活性基团，可通过与氨基树脂高温固化或者与聚氨酯
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NCO基团室温固化，得到的涂层基材附着力好、力学强度高。
[0017]一种微纳复合SiO2颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0018]S1：将正硅酸乙酯、含氨基的硅烷偶联剂、含烯基的硅烷偶联剂、含有机氟的硅烷偶联剂、催化剂加入到异丙醇和水的混合溶剂中，经过反应得表面修饰有氨基、烯基和有机氟基团的小尺寸SiO2纳米颗粒溶液；
[0019]S2：表面含有环氧基的大尺寸SiO2亚微米颗粒由市场购得，用有机溶剂分散，超声
分散均匀，即得到大尺寸SiO2亚微米颗粒溶液；
[0020]S3：S1中得到的小尺寸SiO2纳米颗粒溶液与S2中得到的大尺寸SiO2亚微米颗粒溶液进行化学键合反应，即得到微纳复合SiO2颗粒溶液，将溶液干燥即得所述微纳复合SiO2颗粒。
[0021]优选地，S1中小尺寸SiO2纳米颗粒溶液采用溶胶
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凝胶法制备，其中正硅酸乙酯、功能型硅烷偶联剂、催化剂、异丙醇和水的质量比为3:9:(1～2):(40～70):(3～7)；反应温度为40～60℃；反应时间为2～10h。
[0022]优选地，所述含氨基的硅烷偶联剂可选用氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷或双氨基甲基二甲氧基硅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微纳复合SiO2颗粒，其特征在于，包括小尺寸SiO2纳米颗粒和大尺寸SiO2亚微米颗粒；其中，小尺寸SiO2纳米颗粒的平均粒径为5～50nm，表面修饰有氨基、烯基和有机氟基团；大尺寸SiO2亚微米颗粒的平均粒径为0.1～1.0μm，表面修饰有环氧基；所述小尺寸SiO2纳米颗粒上的氨基和大尺寸SiO2亚微米颗粒上的环氧基化学键合使得小尺寸SiO2纳米颗粒分布在大尺寸SiO2亚微米颗粒表面。2.根据权利要求1中所述微纳复合SiO2颗粒，其特征在于，所述大尺寸SiO2亚微米颗粒的平均粒径为0.1～0.2μm，小尺寸SiO2颗粒的平均粒径为7～20nm。3.权利要求1中所述微纳复合SiO2颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将正硅酸乙酯、含氨基的硅烷偶联剂、含烯基的硅烷偶联剂、含有机氟的硅烷偶联剂反应，得表面修饰有氨基、烯基和有机氟基团的小尺寸SiO2纳米颗粒；S2：将S1中得到的小尺寸SiO2纳米颗粒与表面修饰有环氧基的大尺寸SiO2亚微米颗粒混合，进行化学键合反应，干燥后即得所述微纳复合SiO2颗粒。4.根据权利要求3中所述微纳复合SiO2颗粒的制备方法，其特征在于，S1中含氨基的硅烷偶联剂可选用氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷或双氨基甲基二甲氧基硅烷；含烯基的硅烷偶联剂可选用甲基丙烯酰基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷；含有机氟的硅烷偶联剂可选用全...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟秋华，余龙飞，贾康乐，郑小珊，孙明，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：