超疏水涂层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及疏水材料，更具体地，涉及具备自清洁性能的超疏水涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

目前，国内外针对超疏水性自清洁材料开展了广泛的研究。现有的方案大都通过低表面能物质对基材进行表面修饰，该法能够使基材表面具备一定程度的疏水性能，并有望达到自清洁效果；然而，自清洁试验结果表明，尽管基材表面具备一定程度的疏水性能，但其自清洁效果并不理想。同时，这种疏水性涂层在反复使用的过程中，其自清洁效果会逐步下降，所以，疏水性自清洁涂层的耐久性能也是衡量其自清洁效果的一个重要因素。此外，传统的自清洁涂层制作工艺复杂，成本较高，不利于大规模的生产制备，从而限制了其发展与应用。

技术实现要素：

本发明公开了一种具备自清洁性能的超疏水涂层。本发明在低成本的情况下，提高了超疏水涂层的自清洁效果，耐久性强，且制备工艺简单，有利于进行大面积的生产制备。

本发明提供了一种制备超疏水涂层的方法，包括：在容器中加入含氟硅聚丙烯酸酯(fsipa)、正硅酸乙酯(teos)、甲基三乙氧基硅烷(mtes)、乙醇和氨水，得到混合液；所述混合液反应得到杂化乳液；以及将所述杂化乳液喷涂在基材的表面，干燥，得到所述超疏水涂层。

在上述方法中，其中，含氟硅聚丙烯酸酯占所述混合液中的质量比为5％-25％。

在上述方法中，其中，正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇和氨水的物质的量的比为1:3-7:40-60:5-15。

在上述方法中，其中，正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇和氨水的物质的量的比为1:5:50:10。

在上述方法中，其中，在容器中加入含氟硅聚丙烯酸酯、正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇和氨水之后，在200-400r/min的条件下搅拌得到所述混合液。

在上述方法中，其中，所述反应的时间为5-7h。

在上述方法中，其中，所述喷涂所使用的喷枪的喷嘴与所述基材的距离为15-30cm。

在上述方法中，其中，所述干燥为在室温下干燥12-36h。

在上述方法中，其中，所述超疏水涂层的厚度为0.1-0.5mm。

在上述方法中，其中，所述基材为玻璃基材。

本发明还提供根据上述方法制备的超疏水涂层。

本发明还提供一种玻璃，其中，所述玻璃包括上述的超疏水涂层。

本发明还提供一种防覆冰装置，其中，所述防覆冰装置包括上述的超疏水涂层。

本发明还提供一种自清洁装置，其中，所述自清洁装置包括上述的超疏水涂层。

本发明还提供上述的超疏水涂层在汽车、建筑材料、灯具、玻璃、陶瓷、不锈钢、铝合金、太阳能光伏、航空航天领域中的应用。

本发明改善了疏水涂层的自清洁效果和耐久性能，同时可直接喷涂于基材的表面，无需加热固化，具备制作工艺简单和可进行大面积制备的特点。本发明使用的fsipa能帮助涂层较好地成膜，进而增强涂层的耐久性能，并且不会对涂层的疏水性造成不良影响。teos的加入有助于提高基材表面涂层的粗糙度，从而增加涂层的疏水性，达到自清洁的效果。而mtes能够对teos水解产生的sio2粒子进行疏水改性，有助于提高涂层的疏水性能。

附图说明

图1示出了本发明的制备具有自清洁性能的超疏水涂层的流程示意图，其中，1为sio2/含氟硅聚丙烯酸酯杂化乳液，2为喷枪，3为基材，4为在基材上形成的超疏水涂层。

具体实施方式

本发明的涂层通过以下方法来制备：采用半连续种子乳液聚合法制备含氟硅聚丙烯酸酯(fsipa)；将一定量的fsipa、正硅酸乙酯(teos)、甲基三乙氧基硅烷(mtes)、乙醇、氨水混合均匀得到混合液，混合液反应得到sio2/含氟硅聚丙烯酸酯杂化乳液；将该杂化乳液均匀喷涂于基材上，保持喷枪喷嘴与基材的距离为15-30cm，待基材表面乳液干燥后即可获得一层具备自清洁性能的超疏水涂层。涂层的厚度控制在0.1mm-0.5mm。

参见图1，sio2/含氟硅聚丙烯酸酯杂化乳液1经喷枪2喷涂在基材3上，干燥后得到超疏水涂层4。之后可以进行紫外老化试验和接触角测试等。

本发明使用的正硅酸乙酯(teos)、甲基三乙氧基硅烷(mtes)、乙醇、氨水均达到分析纯级别。fsipa的使用量会对涂层的成膜性能以及涂层与水的接触角(wca)有影响，由teos水解产生的sio2粒子可在基材表面构筑微/纳结构，从而增加材料表面的粗糙程度；fsipa的加入可提高疏水性sio2粒子间的粘结性能，即fsipa的加入可使sio2粒子嵌入到fsipa形成的乳胶膜中，使得涂层的成膜性能得到较大的改善。但是过多的fsipa用量会降低涂层表面的粗糙度，由于表面粗糙度是使涂层具备超疏水特性的重要因素之一，因此涂层的疏水性下降。teos与mtes的比值会对涂层的疏水性能产生影响，这是因为mtes可对teos水解产生的sio2粒子进行疏水性改性，从而有助于提高涂层的疏水性能。在本发明中，fsipa占混合液中的重量比为5％-25％，使用的正硅酸乙酯(teos)、甲基三乙氧基硅烷(mtes)、乙醇和氨水的物质的量比为1:3-7:40-60:5-15。

下面结合具体的实施例进行说明，以更好地理解本发明。

实施例1

在三口烧瓶中分别加入定量的fsipa乳液、teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o，得到混合液，fsipa乳液的重量含量为15％，teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o的物质的量的比值为1：3：50：10。常温下，在300r/min条件下搅拌混合液，反应6h后得到杂化乳液，将乳液喷涂于清洁、干燥的玻璃基材表面，保持喷枪喷嘴与基材的距离为25cm，并置于室温下干燥24h，待表面干燥完全后可在玻璃基材表面获得具有自清洁效果的超疏水涂层。

实施例2

在三口烧瓶中分别加入定量的fsipa乳液、teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o，得到混合液，fsipa乳液的重量含量为15％，teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o的物质的量的比值为1：5：50：8。常温下，在200r/min条件下搅拌混合液，反应6h后得到杂化乳液，将乳液喷涂于清洁、干燥的玻璃基材表面，保持喷枪喷嘴与基材的距离为25cm，并置于室温下干燥24h，待表面干燥完全后可在玻璃基材表面获得具有自清洁效果的超疏水涂层。

实施例3

在三口烧瓶中分别加入定量的fsipa乳液、teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o，得到混合液，fsipa乳液的重量含量为5％，teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o的物质的量的比值为1：4：40：5。常温下，在250r/min条件下搅拌混合液，反应5h后得到杂化乳液，将乳液喷涂于清洁、干燥的玻璃基材表面，保持喷枪喷嘴与基材的距离为20cm，并置于室温下干燥18h，待表面干燥完全后可在玻璃基材表面获得具有自清洁效果的超疏水涂层。

实施例4

在三口烧瓶中分别加入定量的fsipa乳液、teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o，得到混合液，fsipa乳液的重量含量为20％，teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o的物质的量的比值为1：5：45：10。常温下，在350r/min条件下搅拌混合液，反应7h后得到杂化乳液，将乳液喷涂于清洁、干燥的玻璃基材表面，保持喷枪喷嘴与基材的距离为15cm，并置于室温下干燥12h，待表面干燥完全后可在玻璃基材表面获得具有自清洁效果的超疏水涂层。

实施例5

在三口烧瓶中分别加入定量的fsipa乳液、teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o，得到混合液，fsipa乳液的重量含量为10％，teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o的物质的量的比值为1：6：55：13。常温下，在400r/min条件下搅拌混合液，反应5h后得到杂化乳液，将乳液喷涂于清洁、干燥的玻璃基材表面，保持喷枪喷嘴与基材的距离为30cm，并置于室温下干燥32h，待表面干燥完全后可在玻璃基材表面获得具有自清洁效果的超疏水涂层。

实施例6

在三口烧瓶中分别加入定量的fsipa乳液、teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o，得到混合液，fsipa乳液的重量含量为25％，teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o的物质的量的比值为1：7：60：15。常温下，在300r/min条件下搅拌混合液，反应6.5h后得到杂化乳液，将乳液喷涂于清洁、干燥的玻璃基材表面，保持喷枪喷嘴与基材的距离为25cm，并置于室温下干燥36h，待表面干燥完全后可在玻璃基材表面获得具有自清洁效果的超疏水涂层。

实施例7

在三口烧瓶中分别加入定量的fsipa乳液、teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o，得到混合液，fsipa乳液的重量含量为0，teos、mtes、c2h5oh和nh3·h2o的物质的量的比值为1：5：50：10。常温下，在300r/min条件下搅拌混合液，反应6.5h后得到杂化乳液，将乳液喷涂于清洁、干燥的玻璃基材表面，保持喷枪喷嘴与基材的距离为25cm，并置于室温下干燥36h，待表面干燥完全后可在玻璃基材表面获得具有自清洁效果的疏水涂层。

在上述实施例中，实施例7作为对比例，其它实施例均为平行例。对上述实施例1-7得到的疏水涂层的接触角进行测量，涂层的接触角可通过接触角测试仪进行测定，使用双面胶将测试样品固定在水平样品台面上，使用微量取样器将体积为5μl的水滴滴在涂层表面，使用接触角测试仪测量样品表面的静态接触角，以样品表面5个不同点的接触角的平均值作为测量结果。还可通过碳粉模拟的污染物测试涂层的自清洁效果。具体地，将碳粉均匀散布在涂层表面，观测水滴能否自由滚动以及涂层表面的碳粉能否被水滴移去。如果可以，表明具有良好的自清洁效果。

此外，将测试样品放置于紫外老化试验箱中进行老化试验，设定老化时间为480h，老化试验结束后再次测定接触角，并且观察是否出现明显的脱落或开裂现象。

下表1示出了实施例1-7得到的疏水涂层的接触角等数据。

表1

由表1可知，本发明制备的超疏水涂层的接触角均大于135°，并且均具有良好的自清洁效果。在老化480h之后，除对比例获得的涂层出现了严重的开裂现象外，其余实施例获得的涂层并未出现明显的脱落或开裂现象，并且老化后的接触角仍在130°以上，且本发明实施例1-6所制备的超疏水涂层在老化前后的接触角变化较小，但是对比例(即实施例7)所制备的疏水涂层在老化前后的接触角变化显著。

由此可以看出，本发明改善了疏水涂层的自清洁效果和耐久性能，同时可直接喷涂于基材的表面，无需加热固化，具备制作工艺简单和可进行大面积制备的特点。本发明使用的5％-25％的fsipa能帮助涂层较好地成膜，进而增强涂层的耐久性能，并且不会对涂层的疏水性造成不良影响。teos的加入有助于提高基材表面涂层的粗糙度，从而增加涂层的疏水性，达到自清洁的效果。而mtes能够对teos水解产生的sio2粒子进行疏水改性，有助于提高涂层的疏水性能。

本发明还提供一种玻璃，其中，所述玻璃包括上述的超疏水涂层。

本发明还提供一种防覆冰装置，其中，所述防覆冰装置包括上述的超疏水涂层。

本发明还提供一种自清洁装置，其中，所述自清洁装置包括上述的超疏水涂层。

本发明还提供上述的超疏水涂层在汽车、建筑材料、灯具、玻璃、陶瓷、不锈钢、铝合金、太阳能光伏、航空航天领域中的应用，但不限于上述领域的应用，此外，应用到本发明超疏水涂层的产品包括但不限于飞机防覆冰部件、自清洁幕墙、自清洁玻璃、防雾化玻璃、抗腐蚀钢材、抗污陶瓷、自清洁涂料等，可显著提升材料的抗污、抗腐蚀以及防冰凝结性能。