一种基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层及其制备方法与流程

1.本发明属于超亲水材料技术领域，具体涉及一种基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层及其制备方法。


背景技术：

2.表面润湿性是固体表面的重要特征之一，其研究进展一直备受学者的关注与青睐。一般用接触角(ca)来表征液体对固体表面的浸润程度，当水和固体表面的接触角小于5
°
时，则认为是超亲水表面，其亲水程度由涂层表面的结构及化学成分决定。超亲水表面因为具有良好的润湿性能，能使水瞬间铺展并迅速蒸发，防止水滴在表面粘结停留，可起到阻挡、隔离污物的效果，可实现油、污物等的易清洁效果。
3.经申请人研究发现，现有技术存在如下问题：
4.目前，现有超亲水涂层主要多通过引入亲水性纳米颗粒实现。如基于二氧化钛光催化作用的超亲水薄膜、涂覆表面活性剂的超亲水表面。单一组分的二氧化钛超亲水涂层撤去紫外灯照射后，不再呈现亲水性，但在室内中则无法保证其长效性，限制了其应用范围。而表面活性剂容易流失，不耐擦拭和溶剂。
5.另一方面，很多引入二氧化硅纳米颗粒的超亲水涂层需要高温处理，如公告号为cn200610113975.0的中国发明专利一种超亲水的自清洁防雾涂层，其技术方案为静电组装后高温烧结形成粗超表面实现超亲水涂层，其制备条件较为苛刻。
6.随着社会的发展，超亲水涂层以其优异的自清洁特性将会越来越受到市场的青睐。因此，亟待提供一种新型的超亲水涂层。


技术实现要素：

7.本发明的目的是要解决上述的技术问题，提供一种基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层及其制备方法。
8.为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
9.第一方面，本发明提供了一种基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层，其特征在于：
10.超亲水功能涂层的前驱体溶液包括主体树脂、亲水性纳米二氧化硅粒子和溶剂；
11.所述主体树脂为由环氧基笼状聚倍半硅氧烷与仲氨基硅氧烷反应制得的带烷氧基的主体树脂。
12.结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第1种实施方式，所述纳米二氧化硅粒子与主体树脂的质量比为2～8:1，溶剂的质量为总质量的50～95％。
13.结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第2种实施方式，所述环氧基笼状聚倍半硅氧烷与仲氨基硅氧烷的摩尔比为1：8。
14.结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第3种实施方式，所述环氧基笼状聚倍半硅氧烷为缩水甘油醚氧丙基笼状聚倍半硅氧烷和环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷中
的一种或两种，环氧基笼状聚倍半硅氧烷的粒径为1～3nm。
15.结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第4种实施方式，所述仲氨基硅氧烷为n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三甲氧基硅烷、n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三乙氧基硅烷、双
‑
[3
‑
(三甲氧基硅)
‑
丙基]
‑
胺、双
‑
[3
‑
(三乙氧基硅)
‑
丙基]
‑
胺、3
‑
苯胺基丙基三甲氧基硅烷、3
‑
(苯基氨基)丙基三乙氧基硅烷、3
‑
(n
‑
环己胺)丙基三甲氧基硅烷和3
‑
(n
‑
环己胺)丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或几种。
[0016]
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第5种实施方式，所述亲水性纳米二氧化硅粒子的粒径为5～100nm。
[0017]
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第6种实施方式，所述亲水性纳米二氧化硅粒子为液体硅溶胶和粉体二氧化硅中的一种或两种。
[0018]
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第7种实施方式，所述溶剂为乙醇和异丙醇中的一种或两种。
[0019]
第二方面，本发明还提供了一种基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层的制备方法，用于制备第一方面的超亲水功能涂层，所述制备方法包括以下步骤：
[0020]
(1)在容器中加入环氧基笼状聚倍半硅氧烷和溶剂，在搅拌状态下加入8倍摩尔比的仲氨基硅氧烷，反应一段时间后备用；
[0021]
其中，环氧基笼状聚倍半硅氧烷与仲氨基硅氧烷反应制得的带烷氧基的主体树脂；
[0022]
(2)向容器中加入亲水性纳米二氧化硅，搅拌均匀后获得基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层的前驱体溶液；
[0023]
(3)将前驱体溶液涂覆于基材表面，室温条件下反应24h既得超亲水功能涂层。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0025]
(1)本发明超亲水功能涂层的前驱体溶液包括主体树脂、亲水性纳米二氧化硅粒子和溶剂。通过采用环氧笼状聚倍半硅氧烷与仲氨基硅氧烷反应制备出带有烷氧基反应官能团的主体树脂，搭配亲水性纳米二氧化硅粒子，利用笼状聚倍半硅氧烷的纳米尺寸效应与亲水性纳米二氧化硅的尺寸效应制备出具有一定表面粗糙度并且表面带羟基亲水基团的超亲水涂层，水接触角小于5
°
。同时，笼状聚倍半硅氧烷的存在可以有效促进纳米二氧化硅的分散效果。
[0026]
(2)带有烷氧基的主体树脂可以在叔氨基的促进作用下实现常温湿气固化，有效克服现有超亲水涂层的制备条件苛刻的技术难题，且无需添加其他催化剂或促进剂，简单快速快捷的制备超亲水功能涂层。
附图说明
[0027]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
[0028]
图1是本发明的基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层的示意图。
具体实施方式
[0029]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030]
请参阅图1，本发明所述的超亲水功能涂层的示意图。本发明的基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层，其前驱体溶液包括主体树脂、亲水性纳米二氧化硅粒子和溶剂；所述主体树脂为由环氧基笼状聚倍半硅氧烷与仲氨基硅氧烷反应制得的带烷氧基的主体树脂。
[0031]
其中，所述纳米二氧化硅粒子与主体树脂的质量比为2～8:1，溶剂的质量为总质量的50～95％。所述环氧基笼状聚倍半硅氧烷与仲氨基硅氧烷的摩尔比为1：8。
[0032]
在一种优选实施中，所述环氧基笼状聚倍半硅氧烷为缩水甘油醚氧丙基笼状聚倍半硅氧烷和环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷中的一种或两种，环氧基笼状聚倍半硅氧烷的粒径为1～3nm。本发明利用笼状聚倍半硅氧烷的纳米尺寸效应与亲水性纳米二氧化硅的尺寸效应制备出具有一定表面粗糙度并且表面带羟基亲水基团的超亲水涂层，水接触角小于5
°
。同时，笼状聚倍半硅氧烷的存在可以有效促进纳米二氧化硅的分散效果。
[0033]
在一种优选实施中，所述仲氨基硅氧烷为n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三甲氧基硅烷、n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三乙氧基硅烷、双
‑
[3
‑
(三甲氧基硅)
‑
丙基]
‑
胺、双
‑
[3
‑
(三乙氧基硅)
‑
丙基]
‑
胺、3
‑
苯胺基丙基三甲氧基硅烷、3
‑
(苯基氨基)丙基三乙氧基硅烷、3
‑
(n
‑
环己胺)丙基三甲氧基硅烷和3
‑
(n
‑
环己胺)丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或几种。
[0034]
在本发明中，申请人的反复研究和试验下，创造性的选用仲氨基硅氧烷，是因仲氨基硅氧烷仅含一个活泼氢，其与环氧笼状聚倍半硅氧烷的环氧基反应为1对1的反应，因而不会交联生成交联型聚合物。并且，通过引入仲氨基硅氧烷，氨基和环氧基的反应生成一个带有硅烷氧基的可湿气固化的低聚物，而且最终体系的叔氨基可以作为硅烷氧基湿气固化的促进剂。
[0035]
且经申请人研究发现，若采用其他原料进行反应，如伯氨基，其生成的是交联型聚合物，从而会导致后面的流程无法进行，无法制得超亲水涂层。
[0036]
本发明优选地，所述亲水性纳米二氧化硅粒子的粒径为5～100nm。所述亲水性纳米二氧化硅粒子为液体硅溶胶和粉体二氧化硅中的一种或两种。
[0037]
同时，所采用的溶剂为环保溶剂，可为乙醇和异丙醇中的一种或两种。
[0038]
本发明的一种基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0039]
在容器中加入定量的环氧基笼状聚倍半硅氧烷，然后加入一定量的溶剂，在搅拌状态下加入8倍摩尔比的仲氨基硅氧烷，反应一段时间后备用，环氧基笼状聚倍半硅氧烷与仲氨基硅氧烷反应制得的带烷氧基的主体树脂；向容器中加入亲水性纳米二氧化硅，搅拌均匀后获得基于笼状聚倍半硅氧烷的超亲水功能涂层的前驱体溶液；将前驱体溶液涂覆于基材表面，室温条件下反应24h既得超亲水功能涂层。
[0040]
本发明的超亲水涂层可适用于玻璃、不锈钢、塑料等需要实现自清洁或防雾的产品。
[0041]
实施例1
[0042]
在500ml的二口烧瓶中加入60g乙醇，在搅拌状态下加入缩水甘油醚氧丙基笼状聚倍半硅氧烷6g，然后加入9.8g n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三甲氧基硅烷，室温反应24h后加入赢创亲水二氧化硅33g(200)，搅拌均匀后即得固含约45％的前驱体溶液。
[0043]
通过喷涂的方法将前驱体容易涂覆于基材的表面，室温固化24h即得超亲水涂层，经检测超亲水涂层的水接触角为4
°
。
[0044]
实施例2
[0045]
在500ml的二口烧瓶中加入200g乙醇，在搅拌状态下加入缩水甘油醚氧丙基笼状聚倍半硅氧烷5g，然后加入7.6g 3
‑
(苯基氨基)丙基甲氧基硅烷，室温反应24h后加入赢创亲水二氧化硅63g(380)，搅拌均匀后即得固含约27％的前驱体溶液。
[0046]
通过喷涂的方法将前驱体容易涂覆于基材表面，室温固化24h即得超亲水涂层，经检测超亲水涂层水接触角为3
°
。
[0047]
实施例3
[0048]
在500ml的二口烧瓶中加入300g乙醇，在搅拌状态下加入环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷8g，然后加入12.5g n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三乙氧基硅烷，室温反应24h后加入赢创亲水二氧化硅143.5g(130)，搅拌均匀后即得固含约35％的前驱体溶液。
[0049]
通过喷涂的方法将前驱体溶液涂覆于基材表面，室温固化24h即得超亲水涂层，经检测超亲水涂层水接触角为2
°
。
[0050]
实施例4
[0051]
在500ml的二口烧瓶中加入300g乙醇，在搅拌状态下加入环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷5g，然后加入9.6g双
‑
[3
‑
(三甲氧基硅)
‑
丙基]
‑
胺，室温反应24h后加入赢创亲水二氧化硅87.6g(150)，搅拌均匀后即得固含约25％的前驱体溶液。
[0052]
通过喷涂的方法将前驱体溶液涂覆于基材表面，室温固化24h即得超亲水涂层，经检测超亲水涂层水接触角为3
°
。
[0053]
对比例1
[0054]
在500ml的二口烧瓶中加入100g乙醇，在搅拌状态下加入环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷8g，然后加入12.5g n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三乙氧基硅烷，室温反应24h后得固含约17％的前驱体溶液。
[0055]
通过喷涂的方法将前驱体溶液涂覆于基材表面，室温固化24h即得涂层，经检测涂层水接触角为20
°
。
[0056]
对比例2
[0057]
在500ml的二口烧瓶中加入60g乙醇，在搅拌状态下加入缩水甘油醚氧丙基笼状聚倍半硅氧烷6g，然后加入9.8g n
‑
正丁基
‑3‑
氨丙基三甲氧基硅烷，室温反应24h后加入赢创亲水二氧化硅16g(200)，搅拌均匀后即得固含约35％的前驱体溶液。
[0058]
通过喷涂的方法将前驱体溶液涂覆于基材表面，室温固化24h即得涂层，经检测涂层水接触角为10
°
。
[0059]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、
等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。