一种以石英砂和pvc为原料制备耐磨超疏水材料的方法
【专利摘要】本发明公开了一种以石英砂和PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法，该方法为：一、制备超疏水石英砂颗粒；二、室温下，将PVC溶解于四氢呋喃中，得到混合溶液；三、将超疏水石英砂颗粒超声分散于混合溶液中，水浴加热保温，得到悬浊液；四、将悬浊液均匀涂覆于基底上，将涂覆有悬浊液的基底在室温条件下干燥后置于干燥箱中，在100℃～120℃条件下干燥1h～2h，然后对干燥后的基底表面进行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料。本发明直接使用成本低廉的粘土矿物石英砂粉为基准原料，通过简单的操作步骤，温和的反应条件便可得到耐磨超疏水材料，且该材料具有不受基底限制的优点，同时使石英砂的工业应用得以扩展。
【专利说明】
一种以石英砂和PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法
技术领域
[0001] 本发明属于耐磨超疏水材料制备技术领域，具体涉及一种以石英砂和PVC为原料 制备耐磨超疏水材料的方法。
【背景技术】
[0002] 石英砂是一种成本低廉的粘土矿物和重要的工业原料，它坚硬，耐磨损，化学性质 稳定，我国石英砂储量丰富，价格低廉，因此加强石英砂耐磨超疏水材料的研发与制备，可 以拓展石英砂的应用范围与降低耐磨超疏水材料的制备成本。
[0003] 耐磨超疏水材料常见的制备方法包括：
[0004] 1)利用激光标刻法对铝板样本进行处理，构建特定的表面粗糙度结构，然后用全 氟烷基硅烷乙醇溶液对样本进行修饰，最后干燥得到耐磨超疏水表面。
[0005] 此类方法的优点是实验方法简单可控，但缺点是使用了全氟硅烷类物质，成本高， 且会影响身体健康和环境。
[0006] 2)首先通过化学刻蚀的方法在织物表面构建一定的粗糙度，然后将氟硅烷分散到 织物表面，即可得到耐磨超疏水的纤维织物。
[0007] 这类方法的优点是所制备的织物具有较好的自清洁能力，缺点是该工艺过程较为 繁杂，需要特殊的仪器设备。
[0008] 3)利用层压模板法，将聚乙烯薄膜和网状模板层叠压制到聚合物上，待降温冷却 后将网状模板剥离，得到耐磨超疏水的聚合物材料。
[0009]这种方法的优点是实验中所用的模板可以重复循环使用，缺点是实验条件比较苛 亥IJ，不好控制。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种以石英砂和 PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法。该方法简单，易于实现，不需要苛刻的反应条件和 复杂的反应设备，直接使用成本低廉的粘土矿物石英砂粉为基准原料，通过简单的操作步 骤，温和的反应条件便可得到耐磨超疏水材料，且该疏水材料具有不受基底限制的优点。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种以石英砂和PVC为原料制备 耐磨超疏水材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012] 步骤一、将干燥的石英砂粉超声分散于水和二甲基二乙氧基硅烷的混合溶剂中， 得到混合物料;然后在搅拌条件下将所述混合物料水浴加热至50°C~60°C后保温lh~2h， 再将保温后的混合物料抽滤后在l〇〇°C~120°C条件下干燥lh~2h，得到石英砂颗粒;所述 混合溶剂中水和二甲基二乙氧基硅烷的体积比为(3.5~4): 1;
[0013] 步骤二、室温下，将PVC溶解于四氢呋喃中，得到混合溶液；
[0014] 步骤三、将步骤一中所述石英砂颗粒超声分散于步骤二中所述混合溶液中，然后 在搅拌条件下将超声分散后的混合溶液水浴加热至30°C~50°C后保温5h~6h，得到悬浊 液;所述石英砂颗粒的质量为PVC质量的3~5倍；
[0015] 步骤四、将步骤三中所述悬浊液均匀涂覆于基底上，将涂覆有悬浊液的基底在室 温条件下干燥l〇min~30min后置于干燥箱中，在100°C~120°C条件下干燥lh~2h，然后对 干燥后的基底表面进行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料，所述超疏水是指材料表面与 水的接触角大于150度。
[0016] 上述的一种以石英砂和PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法，其特征在于，步骤 一中所述混合溶剂的体积为石英砂粉质量的2~3倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为 g°
[0017] 上述的一种以石英砂和PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法，其特征在于，步骤 二中所述四氢呋喃的体积为PVC质量的10~30倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0019] 1、本发明直接使用成本低廉的粘土矿物石英砂粉为基准原料，通过简单的操作步 骤，温和的反应条件便可得到耐磨超疏水材料，且该材料具有不受基底限制的优点，如玻 璃、塑料、硬纸板等基底均可使用。
[0020] 2、本发明制备方法简单，易于实现，不需要苛刻的反应条件和复杂的反应设备。
[0021] 3、本发明实验周期短，使石英砂的工业应用得以扩展。
[0022] 4、采用本发明的方法制备的耐磨超疏水材料接触角可达154°以上，极大地降低了 液滴与基底表面的接触面积。
[0023] 5、采用本发明的方法制备的耐磨超疏水材料耐摩擦距离可达480cm以上，极大提 高了超疏水材料的耐磨性和机械稳定性。
[0024] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例1制备的耐磨超疏水材料表面的扫描电镜图。
[0026] 图2为水滴滴加到本发明实施例1制备的耐磨超疏水材料表面的宏观照片。
[0027] 图3为本发明实施例2制备的耐磨超疏水材料表面的扫描电镜图。
[0028] 图4为本发明实施例3制备的耐磨超疏水材料表面的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0029] 实施例1
[0030] 本实施例的制备方法包括以下步骤：
[0031] 步骤一、将30g干燥的石英砂粉超声分散于48mL水和12mL二甲基二乙氧基硅烷的 混合溶剂中，得到混合物料;然后在搅拌条件下将所述混合物料水浴加热至60°C后保温2h， 再将保温后的混合物料抽滤后在120°C条件下干燥2h，得到石英砂颗粒；
[0032] 步骤二、室温下，将0.9g PVC(聚氯乙烯)溶解于18mL四氢呋喃中，得到混合溶液； [0033]步骤三、将3g步骤一中所述石英砂颗粒超声分散于步骤二中所述混合溶液中，然 后在搅拌条件下将超声分散后的混合溶液水浴加热至40 °C后保温6h，得到悬浊液；
[0034] 步骤四、将步骤三中所述悬浊液均匀涂覆于基底(玻璃基底)上，将涂覆有悬浊液 的基底在室温条件下干燥20min后置于干燥箱中，在120°C条件下干燥2h，然后对干燥后的 基底表面进行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料。
[0035] 图1是本实施例制备的耐磨超疏水材料表面的扫描电镜图，从图中可以看出，不同 粒径的石英砂和硅烷颗粒均匀散布在涂层之中，形成了微纳米二元复合结构，通常认为微 纳米二元复合粗糙结构与低表面能是得到超疏水表面所必需的两个条件，PVC(聚氯乙烯） 将这些微纳米二元复合结构紧密结合形成稳定的多孔网状结构，这些特点共同赋予了该涂 层耐磨和超疏水的性能。
[0036] 图2为甲基蓝染色的蒸馏水滴加到本实施例制备的耐磨超疏水材料表面的宏观照 片，从图中可以看出，水滴滴加到该材料表面时有很大的静态接触角，且当表面有略微的倾 斜，水滴便会从表面滚落，说明该超疏水材料具有优异的疏水效果。
[0037] 实施例2
[0038]本实施例的制备方法包括以下步骤：
[0039]步骤一、将15g干燥的石英砂粉超声分散于24mL水和6mL二甲基二乙氧基硅烷的混 合溶剂中，得到混合物料;然后在搅拌条件下将所述混合物料水浴加热至55°C后保温1.5h， 再将保温后的混合物料抽滤后在l〇〇°C条件下干燥2h，得到石英砂颗粒；
[0040] 步骤二、室温下，将0.3g PVC(聚氯乙烯)溶解于9mL四氢呋喃中，得到混合溶液； [0041]步骤三、将1.5g步骤一中所述石英砂颗粒超声分散于步骤二中所述混合溶液中， 然后在搅拌条件下将超声分散后的混合溶液水浴加热至40 °C后保温6h，得到悬浊液；
[0042]步骤四、将步骤三中所述悬浊液均匀涂覆于基底(塑料基底)上，将涂覆有悬浊液 的基底在室温条件下干燥l〇min后置于干燥箱中，在100°C条件下干燥2h，然后对干燥后的 基底表面进行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料。
[0043 ]图3是本实施例制备的耐磨超疏水材料表面的扫描电镜图，从图中可以看出，不同 粒径的石英砂和硅烷颗粒均匀散布在涂层之中，形成了微纳米二元复合结构，通常认为微 纳米二元复合粗糙结构与低表面能是得到超疏水表面所必需的两个条件，PVC(聚氯乙烯） 将这些微纳米二元复合结构紧密结合形成稳定的多孔网状结构，这些特点共同赋予了该涂 层耐磨和超疏水的性能。
[0044] 实施例3
[0045] 本实施例的制备方法包括以下步骤：
[0046]步骤一、将15g干燥的石英砂粉超声分散于35mL水和10mL二甲基二乙氧基硅烷的 混合溶剂中，得到混合物料;然后在搅拌条件下将所述混合物料水浴加热至50°C后保温lh， 再将保温后的混合物料抽滤后在ll〇°C条件下干燥lh，得到石英砂颗粒；
[0047] 步骤二、室温下，将0.45g PVC(聚氯乙烯)溶解于9mL四氢呋喃中，得到混合溶液； [0048] 步骤三、将1.5g步骤一中所述石英砂颗粒超声分散于步骤二中所述混合溶液中， 然后在搅拌条件下将超声分散后的混合溶液水浴加热至50°C后保温5h，得到悬浊液；
[0049] 步骤四、将步骤三中所述悬浊液均匀涂覆于基底(硬纸板基底)上，将涂覆有悬浊 液的基底在室温条件下干燥20min后置于干燥箱中，在110°C条件下干燥lh，然后对干燥后 的基底表面进行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料。
[0050] 图4是本实施例制备的超疏水材料表面的扫描电镜图，从图中可以看出，不同粒径 的石英砂和硅烷颗粒均匀散布在涂层之中，形成了微纳米二元复合结构，通常认为微纳米 二元复合粗糙结构与低表面能是得到超疏水表面所必需的两个条件，PVC(聚氯乙烯)将这 些微纳米二元复合结构紧密结合形成稳定的多孔网状结构，这些特点共同赋予了该涂层耐 磨和超疏水的性能。
[0051 ] 实施例4
[0052]本实施例的制备方法包括以下步骤：
[0053]步骤一、将10g干燥的石英砂粉超声分散于19.8mL水和5.2mL二甲基二乙氧基硅烷 的混合溶剂中，得到混合物料;然后在搅拌条件下将所述混合物料水浴加热至60°C后保温 2h，再将保温后的混合物料抽滤后在110°C条件下干燥1.5h，得到石英砂颗粒；
[0054] 步骤二、室温下，将0.5g PVC(聚氯乙烯)溶解于5mL四氢呋喃中，得到混合溶液； [0055]步骤三、将1.5g步骤一中所述石英砂颗粒超声分散于步骤二中所述混合溶液中， 然后在搅拌条件下将超声分散后的混合溶液水浴加热至30°C后保温5.5h，得到悬浊液； [0056]步骤四、将步骤三中所述悬浊液均匀涂覆于基底上，将涂覆有悬浊液的基底在室 温条件下干燥30min后置于干燥箱中，在110°C条件下干燥1.5h，然后对干燥后的基底表面 进行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料。
[0057] 实施例5
[0058]本实施例的制备方法包括以下步骤：
[0059]步骤一、将10g干燥的石英砂粉超声分散于16mL水和4mL二甲基二乙氧基硅烷的混 合溶剂中，得到混合物料;然后在搅拌条件下将所述混合物料水浴加热至60°C后保温2h，再 将保温后的混合物料抽滤后在120°C条件下干燥2h，得到石英砂颗粒；
[0060] 步骤二、室温下，将0.3g PVC(聚氯乙烯)溶解于6mL四氢呋喃中，得到混合溶液； [0061]步骤三、将l.Og步骤一中所述石英砂颗粒超声分散于步骤二中所述混合溶液中， 然后在搅拌条件下将超声分散后的混合溶液水浴加热至40 °C后保温6h，得到悬浊液；
[0062]步骤四、将步骤三中所述悬浊液均匀涂覆于基底上，将涂覆有悬浊液的基底在室 温条件下干燥20min后置于干燥箱中，在120°C条件下干燥2h，然后对干燥后的基底表面进 行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料。
[0063 ]在实施例1至实施例5制备的耐磨超疏水材料表面上滴一滴液滴(蒸馏水），采用接 触角测量仪测量耐磨超疏水材料表面与液滴的接触角大小，结果见下表。
[0064]表1液滴对实施例1至实施例5制备的耐磨超疏水材料表面的接触角
[0066]从表1中可以看出，采用本发明的方法制备的耐磨超疏水材料表面的接触角可达 154°以上，极大地降低了液滴与基底表面的接触面积。
[0067]对在实施例1至实施例5制备的耐磨超疏水材料上负载500g砝码在600目砂纸上摩 擦，摩擦距离结果见下表。
[0068]表2液滴对实施例1至实施例5制备的耐磨超疏水材料表面的摩擦距离
[0070]从表2中可以看出，采用本发明的方法制备的耐磨超疏水材料表面的摩擦距离可 达480cm以上，极大地增强了表面的耐磨性和机械稳定性。
[0071]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技 术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术 方案的保护范围内。
【主权项】
1. 一种以石英砂和PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤一、将干燥的石英砂粉超声分散于水和二甲基二乙氧基硅烷的混合溶剂中，得到 混合物料;然后在搅拌条件下将所述混合物料水浴加热至50°c~60°C后保温Ih~2h，再将 保温后的混合物料抽滤后在l〇〇°C~120 °C条件下干燥Ih~2h，得到石英砂颗粒;所述混合 溶剂中水和二甲基二乙氧基硅烷的体积比为(3.5~4): 1; 步骤二、室温下，将PVC溶解于四氢呋喃中，得到混合溶液； 步骤三、将步骤一中所述石英砂颗粒超声分散于步骤二中所述混合溶液中，然后在搅 拌条件下将超声分散后的混合溶液水浴加热至30 °C~50°C后保温5h~6h，得到悬浊液;所 述石英砂颗粒的质量为PVC质量的3~5倍； 步骤四、将步骤三中所述悬浊液均匀涂覆于基底上，将涂覆有悬浊液的基底在室温条 件下干燥IOmin~30min后置于干燥箱中，在100°C~120°C条件下干燥Ih~2h，然后对干燥 后的基底表面进行摩擦，在基底上得到耐磨超疏水材料，所述超疏水是指材料表面与水的 接触角大于150度。2. 根据权利要求1所述的一种以石英砂和PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法，其特 征在于，步骤一中所述混合溶剂的体积为石英砂粉质量的2~3倍，其中体积的单位为mL，质 量的单位为g。3. 根据权利要求1所述的一种以石英砂和PVC为原料制备耐磨超疏水材料的方法，其特 征在于，步骤二中所述四氢呋喃的体积为PVC质量的10~30倍，其中体积的单位为mL，质量 的单位为g。
【文档编号】C09K3/18GK105885793SQ201610292514
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】屈孟男, 何金梅, 刘珊珊, 姚亚丽, 冯娟, 侯琳刚, 马雪瑞
【申请人】西安科技大学