一种利用天然多酚制备抗静电表面均匀涂层的方法与流程

本发明属于化学材料领域，具体涉及到一种利用天然多酚制备抗静电表面均匀涂层的方法。

背景技术

接触带电是当两个固体表面接触然后分离时产生静电荷的自然现象。接触带电有很多应用，例如静电除尘，静电纺丝以及静电加速器等，但在我们的日常生活中，我们经常遇到与通过接触带电在固体表面累积的电荷有关的轻微烦恼(例如，带电的尘埃颗粒在表面上的粘附或当在干燥的天气中接触门把手时会感到轻微的电击)。在不同类型的工业中，静电荷会降低许多制造工艺的效率(例如，由接触带电的颗粒可能粘附在反应器容器的壁上并阻碍有效的热传递)。在制药工业中，当药物粉末与其他表面相互作用时，颗粒上积累的电荷可能会导致不均匀的混合。此外，通过接触带电过度积累电荷会导致静电放电。这些是造成设备损坏的重要原因，据了解，电子行业每年要因此花费数十亿美元。最重要的是，这些排放可能会引起易燃气体，粉尘和有机液体的爆炸(例如，在车辆加油期间)。考虑到接触电气化带来的广泛的不良，昂贵和危险后果，制定策略防止固体表面接触时产生静电荷是十分重要的。

目前，研究已经报道了多种制备抗静电材料的方法。包括使用导电添加剂(例如，金属、石墨或导电聚合物等)或通过添加抗静电剂来从材料表面消散电荷，增加基底材料的导电性；用自由基捕捉剂掺杂材料清除材料表面电荷；或使具有正电荷倾向的单体与具有负电荷倾向的另一单体共聚。然而，在许多应用中，希望材料保持良好的抗静电性的同时不改变材料的本体性能；因此，更改或修改散装材料不是一种很好的选择。更重要的是，用这些散装材料来替换大量现有表面是不现实的。因此，理想的选择是涂覆原始材料的表面，使其不带电。

制造抗静电表面有不同的涂覆方式。一般会涂覆一层用于消除电荷的导电膜、可离子化分子(如聚电解质)、亲水分子或聚合物，用来吸引湿气并提高表面的电导率。然而这种方式因为结合的问题通常不能够与各种基底材料兼容，为了使涂层能够正确地粘合到各种基底材料的表面上，需要考虑许多因素，比如：涂层的类型，基材的材料类型和处理类型。即便如此这种方法通常也只适用于涂层和基材的有限组合。且使用高能量源(例如，uv和等离子体)来处理表面太过于昂贵，因此更难以应用于更广泛的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用天然多酚制备抗静电表面均匀涂层的方法，以便于减少材料由接触带电产生的静电电荷量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

一种利用天然多酚制备抗静电表面均匀涂层的方法，将材料浸入天然多酚溶液中，在材料表面形成抗静电均匀涂层，所述天然多酚溶液的质量浓度为0.001‰-6％，天然多酚溶液中加入了阳离子聚电解质，加入量为0.1-1μg/l。

所述材料包括有机材料和无机材料。

所述天然多酚为多巴胺或单宁酸。

所述天然多酚溶液是将nacl加入到tris-hcl溶液后，再加入天然多酚制备而成，nacl浓度为0.6m，多巴胺或单宁酸浓度2mg/ml,tris-hcl溶液ph8.5，最后加入1μg/l阳离子聚电解质plys。

材料浸入天然多酚溶液中的浸入时间为2-24h。

所述阳离子聚电解质为聚乙烯亚胺(pei)、聚赖氨酸(plys)、聚乙烯胺等。

所述有机材料为聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯中的至少一种；

所述无机材料为硅、氧化铝、云母、玻璃中的至少一种。

所述方法制备得到的抗静电表面均匀涂层。

本发明通过添加阳离子聚电解质使得其涂层均匀，从而具备抗静电性能，使用了表面涂层均匀分布的现有共沉积技术，比如pei由于兼具极性基团(胺基)和疏水基团(乙烯基)构造，能够与不同的物质相结合，因此具有较高的附着特性和吸附特性。

下面以聚二甲基硅氧烷(pdms)为例说明制备方法：

(1)准备pdms

聚二甲基硅氧烷(pdms)通过将pdms预聚体和交联剂以10:1(w/w)的比例混合来制备(交联剂是道康宁sylrard184)，将预聚物混合物浇铸到ps培养皿上，并在65℃下固化24小时。在预聚物固化后，将pdms片(2.0cm×2.0cm×0.1cm或1cm×1cm×0.5cm)从培养皿上剥离，用dcm洗涤24小时，并在使用前彻底干燥。

(2)用多巴胺或单宁酸涂覆表面

天然多酚溶液的配置：

将nacl溶液(0.6m)中的多巴胺(2mg/ml)或单宁酸(2mg/ml)溶解于10mmtris-hcl(ph8.5)溶液中，加入1μg/l的阳离子聚电解质。在另一步骤中，通过在水中和丙酮或乙醇中超声处理来清洁固体基质pdms(同样的也适用于ptfe，ps，pp，，al，云母或玻璃等)。然后将该衬底在室温下浸入缓冲溶液中。八小时后，涂覆的表面用超纯水充分冲洗，并在氮气流下干燥。制备所得的抗静电表面耐久性高，抗静电效果明显，且几乎可作用于任何材料。

通过椭圆测量法测量两种涂层的厚度为涂层厚度取决于浸入时间，涂层厚度与反应时间成正比，具体线性关系见图7。涂覆了多巴胺和单宁酸后材料表面粗糙度增加，且浸入时间越长，粗糙度越高，实验数据见图8、图9。且涂覆过聚多巴胺和单宁酸的材料表面相较于未涂覆的表面具有更低的接触角，结果见图10。

本发明中在天然多酚溶液中加入一定量的阳离子聚电解质，使得涂层更均匀，涂层均匀从而具备了优异的抗静电性。

有益效果：本发明操作简便，绿色无污染，单宁酸涂层便宜且无色。不需更改或修改散装材料，所以不用替换大量的现有表面，能保持电荷的整体性质和原始材料的完好无损，而且它们具有极高的通用性，几乎能够粘附所有类型的材料包括金属，金属氧化物，陶瓷和聚合物。

附图说明

图1是经过pda和ta处理过的各种材料均能减少接触带电产生的电荷的数据支持；

图2是在使用pda和ta处理和未经过涂覆的材料接触1200次后吸附小纸屑的情况(以ptfe为例)；

图3是dpph和nr的自由基清除图示；其中：①：0分钟时的纯dpph/nr溶液；②：在dpph/nr溶液中不带电的pdms在40分钟时；③：在40分钟内在dpph/nr溶液中用pda包被的不带电的pdms；④：在40分钟内在dpph/nr溶液中用ta包被的不带电的pdms；⑤：40分钟时的纯dpph/nr溶液；⑥：在40分钟内在dpph/nr溶液中带有接触电荷的⑦：在dpph/nr溶液中用pda(-0.20nc/cm2)包被的带有接触电荷的pdms，40分钟；⑧：在40分钟时在dpph/nr溶液中涂有ta(-0.40nc/cm2)的带有接触电荷的pdms(r代表自由基清除剂，r·代表自由基)；

图4和图5是dpph和nr溶液的全波长扫描光谱；

图6是比较通过使用纯化的pdms，用dpph或维生素e(1mm)掺杂的pdms和用pda或ta包覆的pdms与pc接触而产生的电荷表明pda和ta的自由基清除性优于dpph和ve。

图7为通过椭圆光度法分析测量的si晶片上的聚多巴胺(pda)或单宁酸(ta)涂层的时间依赖性厚度。

图8为涂覆聚多巴胺(pda)或单宁酸(ta)与为涂覆的材料表面形态对比。

图9为浸入聚多巴胺(pda)或单宁酸(ta)的时间与材料表面形态的关系图。

图10为用聚多巴胺(pda)或单宁酸(ta)涂覆表面之前和之后，在不同材料上水的接触角。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步描述，但不应视为对本发明保护范围的限制，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

利用天然多酚制备抗静电表面均匀涂层的方法，包括如下步骤：

1)多巴胺溶液的配置：

nacl加入到tris-hcl溶液后，再加入天然多酚制备而成，nacl浓度为0.6m(0.6mol/l)，多巴胺或单宁酸浓度2mg/ml，tris-hcl溶液ph8.5，最后加入1μg/l离子聚电解质plys。

2)材料预处理：

在水中和丙酮或乙醇中超声半小时来处理清洁固体基质,超声功率40khz(ptfe，ps，pp，pdms，al，云母或玻璃)

3)涂层制备：

将步骤2)预处理后的材料在室温下浸入步骤1)多巴胺溶液中，八小时后，涂覆的表面用超纯水充分冲洗，并在氮气流下干燥，在材料表面制得均匀涂层。

实施例2

将上述实施例1制得的抗静电材料进行接触充电实验

在典型的接触充电实验中，我们选用聚多巴胺或单宁酸涂覆的基材和参比材料，用水清洗它们的表面并在空气中干燥。所用的参比材料是一块ptfe(2.0厘米×2.0厘米×0.05厘米)或尼龙(2.0厘米×2.0厘米×0.05厘米)，根据摩擦电系列，聚四氟乙烯具有较高的负电荷倾向，而尼龙具有较高的正电荷倾向，因此，我们选择这两种参考材料来测试涂层表面在正向和负向两个方向上抵抗电荷的能力。我们将基材与参比材料接触，在接触了60次后使用与静电计相连的法拉第杯(keithley，型号6514)测量两块材料所带的电荷。基材的表面积为1至5cm²。进行接触带电实验的湿度为或结果如图1所示，对于在高和低湿度下研究的所有材料，通过pda或ta包覆的材料上的接触带电产生的电荷显着低于未包覆材料的电荷。

实施例3

测量上述实施例1制得的抗静电材料表面电阻率

使用连接到静电计(keithley，型号6517b)的电阻率测试夹具(keithley，8009)测量材料(涂覆或未涂覆)的表面电阻率。我们首先将测试电压固定为1000v.然后根据材料类型将电流调整到合适的测试范围进行表面电阻率测量实验的湿度为或结果见如下表一、表二所示：

表1：在约60％湿度下未涂布和涂布表面的表面电阻率

表2.在约20％湿度下未涂布和涂布表面的表面电阻率

实施例4

测试涂层的耐久性

如实施例1所述制备涂有聚多巴胺或丹宁酸的ptfe片。通过用水洗涤它们的表面并将其干燥，将未涂布和涂布有聚多巴胺或丹宁的标准材料(即尼龙；2.0cm×2.0cm×0.05cm)的ptfe片(2.0cm×2.0cm×0.05cm)备用。将ptfe片与尼龙片接触1200次。

随后，通过用水洗涤并在空气中干燥后再次排出未涂布和涂布的ptfe片和尼龙片。放电后，将未涂覆和涂覆的ptfe片与尼龙接触60次，使用连接到静电计的法拉第杯(keithley，型号6514)测量材料的电荷。观察到当未涂布的ptfe接近(1毫米)小纸片时，它能够将它们吸引到其表面上(图2)。然而，当ptfe片被涂覆时，它们对纸片没有任何可观察到的影响。

实施例5

在实施例一材料中选取pdms为例，研究基于掺杂有自由基清除剂的pdms的接触充电实验

首先，如前所述实施例一中制备掺杂有自由基清除剂的pdms片。将pdms片(1cm×1cm×0.5cm)浸入1mm自由基清除剂(即dpph或维生素e的二氯甲烷溶液)溶液中6小时。然后用二氯甲烷溶胀的pdms片真空干燥。干燥后，将这些pdms片与一片pc(2.0cm×2.5cm×0.2cm)接触。使用掺杂的pdms片和使用pda或ta包裹的pdms对抗一片pc。结果显示用pda和ta包被的pdms的电荷小于用dpph和ve掺杂的pdms；因此pda和ta的自由基清除特性与之前报道的相比是好的。结果见图3、图4、图5。

实施例6

在实施例一中配置天然多酚溶液时分别制备添加阳离子聚电解质与未添加的溶液，其余步骤同实施例一,抗静电表面电阻率结果如下表3。

表3在约60％湿度下未添加和添加plys的表面电阻率