一种透明超疏水涂层材料及其制备透明超疏水涂层的方法

一种透明超疏水涂层材料及其制备透明超疏水涂层的方法
【专利摘要】本发明公开了一种透明超疏水涂层材料，其原料包括由气相二氧化硅纳米粒子与溶剂组成的气相二氧化硅纳米粒子分散液和疏水处理剂。本发明还公开了透明超疏水涂层的制备方法，由气相二氧化硅纳米粒子分散液擦涂基底制备具有微纳结构的涂层，后经疏水处理剂进行表面疏水化处理后得到。本发明提供的超疏水涂层材料可以根据施涂基底的不同灵活改变疏水处理方式，制备超疏水涂层的方法对器材需求少，使用成本极低，方法简单，施涂方便，可进行大面积高效多功能超疏水涂层的制备；制备得到超疏水涂层具有优异的超疏水性、高透明性、抗液滴冲击能力、温度和pH稳定性、耐久性、可反复擦涂性，并且可以应用于几乎所有目前已知的固体表面。
【专利说明】一种透明超疏水涂层材料及其制备透明超疏水涂层的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及疏水涂层材料的【技术领域】，具体涉及一种同时兼具光学透明性、耐久 性、抗液滴冲击性、温度和pH稳定性、可更新的、能施涂于各种材料表面的透明超疏水材料 及其制备的涂层。

【背景技术】
[0002] 自然界许多生物表面都具备特殊的表面润湿行为。研究者发现，将水滴滴于荷叶 上表面、水稻叶片上表面、水黾足上均能获得大于150°的接触角。这种对水滴表现出超抗 润湿性的表面被称为超疏水表面。经进一步科学研究发现，这些生物表面均具有微观尺度 上的粗糙结构，这些微观结构使水滴与表面接触时无法完全浸润表面，空气被存留于微观 结构内部从而形成空气囊，由于空气囊的存在，水滴能轻易地从表面滑离。由于其特殊的表 面抗润湿行为，超疏水表面具有防水、自清洁等特点。受此启发，研究并制备具有超疏水性 能表面引起了广泛的关注和重视。同时具备透明性的超疏水涂层，在对光学需求高的应用 领域，比如汽车挡风玻璃、建筑物窗玻璃、游泳镜目镜等领域有着巨大的潜在应用价值。
[0003] 以现有理论来看，制备超疏水表面一般要满足两个关键因素：一是表面具有微观 尺度的结构，这是超疏水表面区别于一般疏水表面的最大差异；二是材料本身具有低表面 能或者表面附着一层低表面能的物质。制备超疏水表面一般通过模板法、光刻蚀法、等离子 体刻蚀法、层层组装法等多种技术和方法。这些方法由于对设备的需求很高导致其只适用 于实验室研究或者小面积的超疏水表面制备。
[0004] 基于成熟涂层技术而开发的超疏水涂层可以减少对设备的需求，同时简化施工步 骤，为大面积快速有效制备超疏水表面带来可能。
[0005] 中国专利申请CN104046152A公开了一种超疏水涂层的制备方法，包括，步骤1 :按 照体积份数比，取50?80份质量分数为2%?15%的疏水纳米颗粒分散液、20?50份质 量分数为1%?10%的聚苯乙烯纳米颗粒分散液、〇?30份溶剂混合，并超声分散，从而获 得一混合液；步骤2 :将所述混合液形成于一基底表面及基底内部微结构中；步骤3 :将步 骤2中的基底烘干，然后升温至160?230°C烘烤使所述聚苯乙烯纳米颗粒熔化，取出自然 晾干，该方法施工过于复杂。
[0006] 中国专利申请CN103469184A公开了一种超疏水铋涂层的制备方法。通过化学镀 层技术，在锌片上镀上了一层金属铋。金属铋层具有羽毛状的微纳复合结构，经长链脂肪醇 疏水改性之后表现出超疏水性。但该方法只适用于金属表面，且电镀法污染大，对不同尺寸 的表面需要设计对应的尺寸的容器设备。
[0007] 中国专利申请CN103964701A公开了一种Si02/聚四氟乙烯杂化超疏水涂层的制 备方法，通过硅烷偶联剂在适当的温度和pH值条件下在醇水混合溶剂中水解并与硅溶胶 反应，使二氧化硅粒子表面嫁接有机基团；在改性后的硅溶胶中添加一定体积的PTFE乳液 和助剂制成均匀混合体系并陈化一定时间等待涂膜处理；制备涂层，既可以有效地改善聚 四氟乙烯与基材的粘接力，提高硬度和耐磨性，又可以构造涂层表面的粗糙度，从而提高表 面的接触角。
[0008] 中国专利申请CN103788802A公开了一种超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤： 制备氟改性聚丙烯酸酯；制备硅烷偶联剂改性纳米二氧化硅；将所述氟改性聚丙烯酸酯溶 解于有机溶剂中形成混合液，再向所述混合液中加入所述硅烷偶联剂改性纳米二氧化硅， 混合均匀得到复合溶胶；在基材上涂装所述复合溶胶，固化干燥。制备的超疏水涂层固化后 具有良好的疏水性能和力学性能，同时具有较好的耐热性能。
[0009] 中国专利申请CN103753908A公开了一种超疏水涂层，所述超疏水涂层由交替涂 覆在基底上的无机层和有机层组成，所述无机层为无机纳米粒子层，有机层为有机硅改性 聚氨酯层，且最底层和最顶层均为有机层。
[0010] 美国专利申请US2014/0106127A1公开了一种具有透明性和超疏水性的聚合物表 面及其制备方法。该专利将疏水性的纳米粒子部分嵌入到表面图案化的片层透明聚合物表 面，成型后，聚合物表面既保留了本身的透明性，又具备了超疏水性。该技术能够应用于大 面积制备超疏水表面，但因为需要特别的设备，更适用于规则平整表面。
[0011] 中国专利CN 102051120 A公开了一种机械强度较高、耐久性较好、制备简单的超 疏水涂层制备方法。通过喷涂技术，将复合无机纳米粒子、聚硅氧烷化合物、水与乳化剂或 有机溶剂中的一种的混合分散液喷涂到基底表面，高温热处理制备得到超疏水表面。但该 方法仍需要特定设备-喷枪才能使用，且涂层不透明。


【发明内容】

[0012] 本发明所要解决的技术难题是克服现有超疏水涂层制备方法无法同时获得透明 性、耐久性、可擦除性和反复涂覆性、温度和pH稳定性、抗液滴冲击性、通用性等性能，提供 了一种透明超疏水涂层材料以及既可在工厂流水线生产也可以在日常生活中根据不同表 面进行操作的透明超疏水涂层的制备方法。
[0013] 本发明的透明超疏水涂层材料，其原料包括：气相二氧化硅纳米粒子分散液和疏 水处理剂。
[0014] 所述的气相二氧化硅纳米粒子分散液由气相二氧化硅纳米粒子与溶剂组成，其中 气相二氧化硅纳米粒子的重量百分比为0. 01 %?50%。
[0015] 所述的溶剂为水、醇类、脂肪烃类、芳香烃类。所述的醇类溶剂为以下的一种或多 种：乙醇、甲醇、异丙醇、丙三醇等；所述脂肪烃类溶剂为以下的一种或几种：正己烷、环己 烷；所述的芳香烃类溶剂为甲苯、二甲苯。出于对人体健康的考虑，一般选择无毒或低毒环 保型溶剂。
[0016] 所述的气相二氧化硅纳米粒子的比表面积较佳为10m2/g?1000m2/g，优选为大 于250m 2/g。所述的气相二氧化硅纳米粒子的重量百分比为0. 01 %?50 %，优选0. 1 %? 30%。
[0017] 所述的疏水处理剂是指具有低表面能的疏水材料，该疏水材料能够赋予涂层低表 面能，降低或者消除微观结构表面的极性键，在微观结构表面形成保护层，同时固定由二氧 化硅纳米粒子形成的多孔微观结构，为涂层和基底之间提供结合力。所述的具有低表面能 的疏水材料可根据施涂面积以及对涂层使用时间进行选择以及用量的控制。
[0018] 所述的具有低表面能的疏水材料一般包含以下的一种或几种：烷基硅烷偶联剂、 含氟烷基硅烷偶联剂、含氟甲基丙烯酸脂类聚合物、含氟丙烯酸脂类聚合物、有机硅化合 物、含氟有机硅化合物等。具体如下：
[0019] (1)所述的烷基硅烷偶联剂从以下选择一种或多种：式I (a)、式I (b)、式I (c)。
[0020]

【权利要求】
1. 一种透明超疏水涂层材料，其原料包括：气相二氧化硅纳米粒子分散液和疏水处理 齐II;所述的气相二氧化娃纳米粒子分散液由气相二氧化娃纳米粒子与溶剂组成。
2. 如权利要求1所述的透明超疏水涂层材料，其特征在于，所述的气相二氧化硅纳米 粒子的比表面积为l〇m2/g?1000m2/g。
3. 如权利要求1所述的透明超疏水涂层材料，其特征在于，所述的溶剂为水、醇类、月旨 肪烃类或芳香烃类；所述的醇类溶剂为以下的一种或多种：乙醇、甲醇、异丙醇、丙三醇；所 述脂肪烃类溶剂为以下的一种或几种：正己烷、环己烷；所述的芳香烃类溶剂为甲苯或二 甲苯。
4. 如权利要求1所述的透明超疏水涂层材料，其特征在于，所述疏水处理剂为烷基硅 烷偶联剂、含氟烷基硅烷偶联剂、含氟甲基丙烯酸脂类聚合物、含氟丙烯酸脂类聚合物、有 机硅化合物或含氟有机硅化合物。
5. -种透明超疏水涂层，其特征在于，采用如权利要求1-4任一权利要求所述的超疏 水涂层材料制备得到。
6. 如权利要求5所述的透明超疏水涂层，其特征在于，所述的超疏水涂层的制备方法， 包括： (1) 由气相二氧化硅纳米粒子在溶剂中分散配制得到稳定的气相二氧化硅纳米粒子分 散液；(2) 将气相二氧化硅纳米粒子分散液滴加到带有纹路的布上，使布被气相二氧化硅纳 米粒子分散液润湿；(3) 将被湿润后的布擦涂于基底表面；(4) 待溶剂完全挥发之后，采用疏水处理剂对涂层表面进行疏水化处理。
7. 如权利要求6所述的透明超疏水涂层，其特征在于，步骤⑴所述的气相二氧化硅纳 米粒子分散液中气相二氧化硅纳米粒子的质量百分比为〇. 01 %?50%。
8. 如权利要求6所述的透明超疏水涂层，其特征在于，步骤（4)所述的疏水化处理为以 下方法中的一种：a)将烷基硅烷偶联剂或含氟烷基硅烷偶联剂通过化学气相沉降法对涂 层表面进行疏水化处理，处理温度为30?200°C，处理时间为0. 5?10h ;b)将烷基硅烷偶 联剂或含氟烷基硅烷偶联剂溶解或分散于易挥发溶剂中喷涂于涂层表面进行疏水化处理； c)将含氟甲基丙烯酸脂类聚合物或含氟丙烯酸酯类聚合物溶解于溶剂中或分散于溶剂中 喷涂于涂层表面进行疏水化处理；d)将有机硅化合物或有机硅化合物喷涂于涂层表面上 并固化进行疏水化处理。
9. 如权利要求8所述的透明超疏水涂层，其特征在于，所述的疏水化处理方法b)中，用 于喷涂的烷基硅烷偶联剂或含氟烷基硅烷偶联剂溶液或分散液的浓度为〇. 01 %?30%。
10. 如权利要求8所述的透明超疏水涂层，其特征在于，所述的疏水化处理方法c)中， 用于喷涂的含氟甲基丙烯酸脂类聚合物、含氟丙烯酸酯类聚合物、有机硅化合物或含氟有 机硅化合物、含氟聚氨酯的分散液浓度为0. 05 %?30%。
【文档编号】C09D183/04GK104449357SQ201410693047
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】杜淼, 李房, 郑强 申请人:浙江大学