本发明涉及一种超疏水涂料及其制备方法、超疏水涂层。
背景技术：
近年来，在荷叶、水黾腿、蝴蝶翅膀等自然界中超疏水性组织和器官的启发下，科学家们研究了各种各样的超疏水涂层。超疏水涂层具有特殊微纳米结构，因此有疏水自清洁性，防污染等一系列优异性能。该超疏水涂层在洁净材料、空调压缩机铝材的抗结冰结霜和硬的聚氯乙烯(upvc)管抗减阻等方面具有广泛的应用前景。
目前，使用较多的超疏水涂层的材料为二氧化硅(sio2)。制备二氧化硅超疏水涂层的主要方法有两种。一种方法是：将sio2颗粒与醇溶液混合搅拌，超声分散，调节酸碱度，获得胶体电泳液，再将电泳液沉积到玻璃衬底上，获得sio2涂层，然后将带有sio2涂层的玻璃放入低表能修饰剂中修饰，获得超疏水sio2涂层。另一种方法为：采用粘结法将超疏水层的微米级粉粒和纳米级粉粒的混合粉粒嵌入基体表面的粘结层内，使超疏水层由相间排列并嵌入粘结层形成微米级凸起和纳米级凸起的结构，进而得到超疏水涂层。
然而，上述方法存在以下几个问题：不利于大面积成膜，施工工艺存在困难；超疏水涂层表面的微纳结构以及表面能不易控制，均匀性和重现性差；另外，滚动角大，水滴在表面难以快速自迁移。同时，超疏水涂层在玻璃、铝板、聚氯乙烯基底、upvc基底上的附着力差，耐磨性差，在制备该超疏水涂层时需要特殊设备、成本高，并且工艺复杂。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种工艺简单、适合工业化的超疏水涂料及其制备方法，采用该超疏水涂料制备得到的超疏水涂层具有超疏水性能。
本发明提供一种超疏水涂料的制备方法，其包括以下步骤：
1)将醇酸清漆、稀释剂、二氯甲烷混合，得到分散液a；
2)将疏水性硅粉分散于四氯化碳和二氯甲烷的第一混合溶剂中，得到分散液b；
3)将聚苯乙烯泡沫分散于苯乙烯和四氢呋喃的第二混合溶剂中，得到分散液c；
4)将氟化石墨烯分散于二氯甲烷中，得到悬浮液d；以及
5)将所述分散液a、分散液b、分散液c和悬浮液d按照(5～10)∶(10～20)∶(1～5)∶(0.5～5)的体积比混合，得到超疏水涂料。
本发明还提供一种采用上述制备方法得到的超疏水涂料，在所述超疏水涂料中所述疏水性硅粉的浓度为15mg/ml～30mg/ml，在所述超疏水涂料中所述氟化石墨烯的浓度为0.1mg/ml～2mg/ml。
本发明还提供一种超疏水涂层，所述超疏水涂层采用上述超疏水涂料涂覆于一基底而得到。
与现有技术相比较，本发明所述超疏水涂料的制备方法的优点如下：
将氟化石墨烯与疏水性硅粉这类无机材料与分散液a中的醇酸清漆、分散液c中的聚苯乙烯泡沫等高分子材料混合，使无机材料均匀分散于高分子材料中并与高分子材料结合在一起。由于所述无机材料与高分子材料均预先分散于有机溶剂中，由于分散液a、分散液b、分散液c以及悬浮液d中的有机溶剂之间具有良好的互溶性，因此，当将分散液a、分散液b、分散液c以及悬浮液d混合时，其相互之间具有很好的相容性，故得到的涂料均一性好，性能稳定。该制备方法中，先通过简单的分散得到稳定的分散液a、分散液b、分散液c、及悬浮液d，在此分散步骤中选择特定的溶剂及溶剂比例，即可实现将醇酸清漆、疏水性硅粉、聚苯乙烯泡沫、与氟化石墨烯预先分散，无需复杂的材料预修饰。再将分散液a、分散液b、分散液c、及悬浮液d按照特定的配比混合即可得到超疏水涂料。该超疏水涂料的制备方法工艺简单易行，可进行工业化生产。
由于所述超疏水涂料包括氟化石墨烯及疏水性硅粉，当将该超疏水涂料涂覆于基底形成超疏水涂层时，所述超疏水涂料由于在其中引入了氟元素和硅元素，而两者均具有很好的疏水性能，将两者同时引入可有效的结合了两者间的优点，因而可降低所述超疏水涂层的表面能并改善涂层表面的微纳结构，从而使得该超疏水涂层具有很好的超疏水性。另外，由于氟化石墨烯是在改性石墨烯表面引入氟元素，而改性石墨烯表面存在羟基、羧基等基团，其可以提高涂层与基底的附着力，因此，氟化石墨烯的加入可提高所述超疏水涂层与基底的附着力、耐磨性等性能。
附图说明
图1是实施例1所制备的超疏水涂层的疏水性能测试的照片。
具体实施方式
以下将对本发明提供的超疏水涂料及其制备方法、超疏水涂层作进一步说明。
本发明提供一种超疏水涂料的制备方法，其包括以下几个步骤：
s1，将醇酸清漆、稀释剂、二氯甲烷混合，得到分散液a；
s2，将疏水性硅粉分散于四氯化碳和二氯甲烷的第一混合溶剂中，得到分散液b；
s3，将聚苯乙烯泡沫分散于苯乙烯和四氢呋喃的第二混合溶剂中，得到分散液c；
s4，将氟化石墨烯分散于二氯甲烷中，得到悬浮液d；以及
s5，将所述分散液a、分散液b、分散液c和悬浮液d按照(5～10)∶(10～20)∶(1～5)∶(0.5～5)的体积比混合，得到超疏水涂料。
在步骤s1中，所述分散液a为所述超疏水涂料的基质。所述醇酸清漆包括一树脂，起到粘合剂的作用。所述醇酸清漆中的树脂包括干性短油度醇酸树脂、干性中油度醇酸树脂、不干性油醇酸树脂、长油度醇酸树脂、极长油度醇酸树脂、丙烯酸改性醇酸树脂、有机硅类改性醇酸树脂、苯乙烯改性醇酸树脂、纳米改性醇酸树脂中的至少一种。所述稀释剂包括香蕉水、松香水、天那水、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、二甲苯、甲苯、丙酮、乙醇、丁醇、异丙醇中的至少一种。
所述稀释剂与二氯甲烷的体积比为1∶1～5∶1。在分散液a中所述醇酸清漆的体积分数为10％～20％。优选的，在分散液a中所述醇酸清漆的体积分数为10％～15％。
在步骤s2中，所述疏水性硅粉为气相二氧化硅。所述疏水性硅粉具有良好的疏水性能，因而最后得到的超疏水涂料也具有良好的疏水性能。
所述四氯化碳与二氯甲烷的体积比为2∶1～6∶1。所述疏水性硅粉为气相二氧化硅。在所述分散液b中所述疏水性硅粉的浓度为30mg/ml～50mg/ml。优选的，在所述分散液b中所述疏水性硅粉的浓度为35mg/ml～45mg/ml。
在步骤s3中，分散液c作为超疏水涂料的溶剂。所述第二混合溶剂用于溶解所述聚苯乙烯泡沫。所述第二混合溶剂中苯乙烯和四氢呋喃的体积比为1∶2～5∶1。在所述分散液c中所述聚苯乙烯泡沫的浓度为100mg/ml～200mg/ml。优选的，在所述分散液c中所述聚苯乙烯泡沫的浓度为130mg/ml～180mg/ml。
在步骤s4中，所述悬浮液d中氟化石墨烯的浓度为5mg/ml～20mg/ml，优选的，所述悬浮液d中氟化石墨烯的浓度为5mg/ml～15mg/ml。所述氟化石墨烯可为自己制备，也可购自宁波墨西科技有限公司。
在步骤s5中，所述分散液a、分散液b、分散液c和悬浮液d的混合体积比优选为(6～9)∶(15～20)∶(1～3)∶(0.5～3)。
本发明还提供一种采用上述制备方法得到的超疏水涂料。所述超疏水涂料包括疏水性硅粉和氟化石墨烯。其中，在所述超疏水涂料中所述疏水性硅粉的浓度为15mg/ml～30mg/ml，在所述超疏水涂料中所述氟化石墨烯的浓度为0.1mg/ml～2mg/ml。
本发明还提供一种超疏水涂层。该超疏水涂层采用上述述超疏水涂料涂覆于一基底而得到。其中，所述基底的材料为玻璃、金属、或聚氯乙烯。所述涂覆的具体工艺不限，可为刮涂、丝网印刷、喷涂、浸涂等。所述超疏水涂层的厚度不限，优选为10微米～50微米，更优选为20微米～40微米。
可以理解，所述基板在涂覆所述超疏水涂料之前，可进行一预处理步骤。具体为：将玻璃或者聚氯乙烯材料的基底分别用无水乙醇浸泡半小时或用无水乙醇擦洗洁净、清水冲洗干净后，用去离子水冲洗数次，烘干备用。金属材料的基底经过氢氧化钠溶液碱洗以除去基底表面的氧化层，然后用钢刷将基底的表面打亮，再用丙酮浸泡半小时或用丙酮溶液擦洗除去表面油污，最后用无水乙醇擦洗表面洁净，晾干备用。
与现有技术相比较，本发明所述超疏水涂料的制备方法的优点如下：
将氟化石墨烯与疏水性硅粉这类无机材料与分散液a中的醇酸清漆、分散液c中的聚苯乙烯泡沫等高分子材料混合，使无机材料均匀分散于高分子材料中并与高分子材料结合在一起。由于所述无机材料与高分子材料均预先分散于有机溶剂中，由于分散液a、分散液b、分散液c以及悬浮液d中的有机溶剂之间具有良好的互溶性，因此，当将分散液a、分散液b、分散液c以及悬浮液d混合时，其相互之间具有很好的相容性，故得到的涂料均一性好，性能稳定。该制备方法中，先通过简单的分散得到稳定的分散液a、分散液b、分散液c、及悬浮液d，在此分散步骤中选择特定的溶剂及溶剂比例，即可实现将醇酸清漆、疏水性硅粉、聚苯乙烯泡沫、与氟化石墨烯预先分散，无需复杂的材料预修饰。再将分散液a、分散液b、分散液c、及悬浮液d按照特定的配比混合即可得到超疏水涂料。该超疏水涂料的制备方法工艺简单易行，可进行工业化生产。
由于所述超疏水涂料包括氟化石墨烯及疏水性硅粉，当将该超疏水涂料涂覆于基底形成超疏水涂层时，所述超疏水涂料由于在其中引入了氟元素和硅元素，而两者均具有很好的疏水性能，将两者同时引入可有效的结合了两者间的优点，因而可降低所述超疏水涂层的表面能并改善涂层表面的微纳结构，从而使得该超疏水涂层具有很好的超疏水性。另外，由于氟化石墨烯是在改性石墨烯表面引入氟元素，而改性石墨烯表面存在羟基、羧基等基团，其可以提高涂层与基底的附着力，因此，氟化石墨烯的加入可提高所述超疏水涂层与基底的附着力、耐磨性等性能。
以下，将结合具体的实施例对本发明所述超疏水涂料及其制备方法、超疏水涂层进一步说明。
实施例1
分散液a的制备：量取12ml醇酸清漆，加入在48ml稀释剂和25ml二氯甲烷的混合液中，超声分散15min，其中醇酸清漆的体积分数为14％；
分散液b的制备：称取气相二氧化硅粉4g，加入在70ml四氯化碳和20ml二氯甲烷的混合溶剂中，超声分散15min，其中气相二氧化硅粉的质量-体积浓度为44mg/ml；
分散液c的制备：称取3g聚苯乙烯泡沫，加入在10ml苯乙烯和10ml四氢呋喃混合液中，超声分散30min，其中聚苯乙烯泡沫的质量-体积浓度为150mg/ml；
悬浮液d的制备：称取1g氟化石墨烯粉，将其加入100ml的二氯甲烷溶液中，超声分散15min，制备得到质量浓度为10mg/ml的氟化石墨烯溶液；
超疏水涂料的制备：先后用移液管取8.5ml分散液a、18ml分散液b、2ml分散液c、2ml悬浮液d于烧杯中混合搅拌均匀后即制得该超疏水涂料。
进一步，采用浸渍提拉法在预处理干净的玻璃基底上涂膜，在通风处常温晾干，即得到超疏水涂层。
采用接触角测试仪测量该超疏水涂层对液滴的接触角。测试结果见图1。该超疏水涂层对液滴的接触角为160度，滚动角为6度。
实施例2
分散液a的制备：量取12ml醇酸清漆，加入在48ml稀释剂和25ml二氯甲烷的混合液中，超声分散15min，其中醇酸清漆的体积分数为14％；
分散液b的制备：称取气相二氧化硅粉3g，加入在50ml四氯化碳和30ml二氯甲烷的混合溶剂中，超声分散15min，其中气相二氧化硅粉的质量-体积浓度为37.5mg/ml；
分散液c的制备：称取3g聚苯乙烯泡沫，加入在10ml苯乙烯和10ml四氢呋喃混合液中，超声分散30min，其中聚苯乙烯泡沫的质量-体积浓度为150mg/ml；
悬浮液d的制备：称取1g氟化石墨烯粉，将其加入100ml的二氯甲烷溶液中，超声分散15min，制备得到质量浓度为10mg/ml的氟化石墨烯溶液；
超疏水涂料的制备：先后用移液管取8.5ml分散液a、18ml分散液b、2ml分散液c、2ml悬浮液d于烧杯中混合搅拌均匀后即制得该超疏水涂料。
进一步，采用浸渍提拉法在预处理干净的玻璃基底上涂膜，在通风处常温晾干，即得到超疏水涂层。
采用接触角测试仪测量该超疏水涂层对液滴的接触角。该超疏水涂层对液滴的接触角为152度，滚动角为7度。
实施例3
分散液a的制备：量取12ml醇酸清漆，加入在48ml稀释剂和25ml二氯甲烷的混合液中，超声分散15min，其中醇酸清漆的体积分数为14％；
分散液b的制备：称取气相二氧化硅粉4g，加入在50ml四氯化碳和30ml二氯甲烷的混合溶剂中，超声分散15min，其中气相二氧化硅粉的质量-体积浓度为44mg/ml；；
分散液c的制备：称取3g聚苯乙烯泡沫，加入在10ml苯乙烯和10ml四氢呋喃混合液中，超声分散30min，其中聚苯乙烯泡沫的质量-体积浓度为150mg/ml；
悬浮液d的制备：称取0.75g氟化石墨烯粉，将其加入100ml的二氯甲烷溶液中，超声分散15min，制备得到质量浓度为7.5mg/ml的氟化石墨烯溶液；
超疏水涂料的制备：先后用移液管取8.5ml分散液a、18ml分散液b、2ml分散液c、2ml悬浮液d于烧杯中混合搅拌均匀后即制得该超疏水涂料。
进一步，采用浸渍提拉法在预处理干净的玻璃基底上涂膜，在通风处常温晾干，即得到超疏水涂层。
采用接触角测试仪测量该超疏水涂层对液滴的接触角。该超疏水涂层对液滴的接触角为153.6度，滚动角为6.5度。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。