一種透明超疏水塗層的製備方法
2023-10-08 16:29:44 4
一種透明超疏水塗層的製備方法
【專利摘要】本發明公開了透明超疏水塗層的製備方法。本發明包括了基底的處理、核殼結構的製備、微納米結構的組裝，塗層的熱處理、疏水物質修飾等步驟。所得塗層表面經過低表面能物質修飾後接觸角大於150°，滾動角小於10°，可見光具有良好的透過性，平均透光率在90%。本發明製備工藝簡單，原料易得，成本低廉，適合大面積製備，適用於汽車，擋風玻璃，透鏡，建築物的窗玻璃等場合。
【專利說明】一種透明超疏水塗層的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於透明超疏水塗層製備【技術領域】，特別涉及一種在玻璃或石英基底上製備透明超疏水塗層的方法。
【背景技術】
[0002]超疏水現象在自然界非常廣泛，如荷葉表面、蝴蝶翅膀、水黽腿等。超疏水表面一般指材料表面對水的接觸角大於150°、滾動角小於10°的表面。超疏水表面具有很多獨特的表面性能:疏水、自清潔性、低摩擦係數、抗結冰、防霧等特性，使得其在眾多領域都具有巨大的應用前景。透明的超疏水塗層，具有良好的可見光透過性和疏水性，將其應用玻璃表面可以製備出自清潔玻璃，可以作為汽車、飛機、太空飛行器等擋風玻璃，當雨水落到玻璃上時，會快速的滾落而不粘附在玻璃上，同時帶走玻璃上大量的灰塵，保持其表面清潔，從而保證了雨天駕駛過程中的視野，大大提高了駕駛安全性；如果透明超疏水塗層應用在高層建築的表面和玻璃上，可以減少清潔次數，降低清潔費用和避免了高空作業的危險。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種簡單、方便的製備大面積透明超疏水塗層的方法，解決透明超疏水表面生產成本高、應用性差的問題。
[0004]實現本發明目的的技術方案是:
將透明基底浸泡在無機 納米顆粒溶液中得到自組裝塗層，然後採用化學氣相沉積的方法進行表面修飾得到接觸角大於150°，可見光透過性優異的超疏水塗層。
[0005]一種透明超疏水塗層的製備方法，其特徵在於該方法具體步驟為:
a基底的處理:將基底依次用不同極性大小的溶劑清洗，再經過H2O2和H2SO4的混合溶液處理，使基底的表面帶有一層矽羥基；然後將羥基化的基底放入溶有氨丙基三乙氧基矽烷的異丙醇溶劑中，使基底終端氨基化；最後將氨基化的基底放入鹽酸中浸泡30~60 S，使基底表面帶上正電荷；所述的基底為玻璃或石英；
b核殼結構的製備:將碳球分散在極性溶液中，超聲15~30 min,往分散液中添加催化劑，再逐滴加入溶有矽酸酯的極性溶液，攪拌，最後通過離心分離出沉澱，依次用極性溶液，純淨水清洗；所述的催化劑為氨水；
c微納結構的組裝:取核殼結構納米粒子分散在純淨水中，超聲15~30 min配成濃度為
0.5~2 g/L的無機納米粒子溶液，再將帶有正電荷的基底浸泡在無機納米粒子溶液中5~15min，取出後用純淨水清洗，吹乾，從而完成微納結構在基底上的層狀組裝；
d塗層的熱處理:將通過步驟c獲得的製備有微納複合結構塗層的基底放入馬弗爐中在400~600°C溫度下加熱廣3 h，除去核殼結構中的碳核，並且提高塗層的穩定性；
e疏水物質的修飾:將步驟d獲得的基底再在60°C ~100°C條件下進行化學氣相沉澱，將含疏水鏈的分子修飾在塗層表面，從而在基底上得到透明超疏水自清潔塗層。
[0006]本發明所述的用於清洗的不同極性大小的溶劑為丙酮、乙醇或純淨水。[0007]本發明所述的帶有負電荷的無機納米粒子為Carbon/Si02，粒徑大小在180-230nm之間。[0008]本發明所述的矽酸酯為正矽酸四乙酯。
[0009]本發明所述的含疏水鏈的分子為全氟辛基三氯矽烷或全氟癸基三氯矽烷。
[0010]與現有技術相比，本發明的有點在於:
工藝簡單，原料易得，成本低；製備的透明超疏水，接觸角大於150°，滾動角小於5°，具有良好的自清潔性；製備的超疏水玻璃，具有良好的可見光透過性，平均可見光透過率高達90%。適用於汽車，擋風玻璃，透鏡，建築物的窗玻璃等場合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為實施例1所得塗層表面高/低倍場發射掃描電鏡圖。
[0012]圖2為實施例1所得carbon/silica顆粒的高/低倍透射電鏡圖。
[0013]圖3為實施例1所得空心二氧化矽小球的高/低倍透射電鏡圖。
[0014]圖4為實施例1所得透明超疏水玻璃接觸角和滑動角。
[0015]圖5為實施例1所得自組裝一次透明超疏水玻璃透過率與自組裝五次透明超疏水玻璃透過率。
[0016]圖6為實施例1所得透明超疏水玻璃實物圖。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
(I)基底的處理:
將玻璃片依次用乙醇，純淨水分別超聲處理10 min,以除去基底表面附著的各種雜質，然後在質量濃度為98%的H2SO4和質量濃度為30%的H2O2 (v: v=7:3)的混合溶液中加熱煮沸60 min至無氣泡溢出，冷卻後用大量純淨水衝洗，再用氮氣吹乾，待用。再將基底放Λ 0.1 M氨丙基三乙氧基矽烷(3-AMTS )的異丙醇溶液中80 °C下浸泡120 min，取出後用大量純淨水衝洗，氮氣吹乾。最後，將基底放入0.1 M HCl中浸泡30 S，取出待用。
[0018](2)核殼結構的製備:
將0.2 g碳球分散在10 mL乙醇中，超聲處理30 min,接著往分散液中加入ImL氨水，然後將溶有0.3 mL正矽酸乙酯(TEOS)的3 mL乙醇溶液逐滴加入到上述溶液中。攪拌24 h。離心、乙醇、純淨水清洗，循環數次得到棕黑色沉澱。所得核殼結構如圖2所示。
[0019](3)微納結構的組裝:
將0.15 g上述溶液分散在100 mL純淨水中。將處理後的基底浸泡在溶液中5~15min,然後以I mm/s的速度從溶液中取出樣品，用純淨水清洗。
[0020](4)塗層的熱處理:
將步驟(3)中得到的基底放入馬弗爐中500 °C煅燒兩小時。所得空心球如圖3所
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[0021](5)疏水物質修飾:
將步驟(4)中得到的玻璃放入烘箱中，在80°C溫度條件下進行化學氣相沉積3小時，將全氟辛基三氯矽烷修飾在微納複合結構表面，得到透明超疏水玻璃。[0022]如圖4所示，所得塗層經過低表面能物質修飾後，接觸角為153°，滾動角低於10°，並且具有良好的透過性。如圖5所示，經過一次自組裝過程，測得透明超疏水塗層平均可見光透過率為90% ;經過五次自組裝過程，測得透明超疏水塗層平均可可見光透過率為75%。圖6所示為製備的透明超疏水玻璃實物圖。
[0023]實施例2:
(I)基底的處理:
將玻璃片依次用乙醇，純淨水分別超聲處理10 min,以除去基底表面附著的各種雜質，然後在質量濃度為98%的H2SO4和質量濃度為30%的H2O2 (v: v=7:3)的混合溶液中加熱煮沸60 min至無氣泡溢出，冷卻後用大量純淨水衝洗，再用氮氣吹乾，待用。再將基底放入0.1M氨丙基三乙氧基矽烷(3-AMTS )的異丙醇溶液中80°C下浸泡120 min，取出後用大量純淨水衝洗，氮氣吹乾。最後，將基底放入0.1 M HCl中浸泡30s，取出待用。
[0024](2)核殼結構的製備:
將0.5 g碳球分散在27 mL乙醇中，超聲處理30 min,接著往分散液中加入2 mL氨水，然後將溶有I mL正矽酸乙酯(TEOS)的6.5 mL乙醇溶液逐滴加入到上述溶液中。攪拌24 h。離心、乙醇、純淨水清洗，循環數次得到棕黑色沉澱。
[0025](3)微納結構的組裝:
將0.2 g上述溶液分散在100 mL純淨水中。將處理後的基底浸泡在溶液中5~15min,然後以I mm/s的 速度從溶液中取出樣品，用純淨水清洗。
[0026](4)塗層的熱處理:
將步驟(3)中得到的基底放入馬弗爐中500 °C煅燒2 h。
[0027]( 5 )疏水物質修飾:
將步驟(4)中得到的玻璃放入烘箱中，在80°C溫度條件下進行化學氣相沉積3 h，將全氟辛基三氯矽烷修飾在微納複合結構表面，得到透明超疏水玻璃。
[0028]實施例3:
(I)基底的處理:
將玻璃片依次用乙醇，純淨水分別超聲處理10 min,以除去基底表面附著的各種雜質，然後在質量濃度為98%的H2SO4和質量濃度為30%的H2O2 (v: v=7:3)的混合溶液中加熱煮沸60 min至無氣泡溢出，冷卻後用大量純淨水衝洗，再用氮氣吹乾，待用。再將基底放入0.1M氨丙基三乙氧基矽烷(3-AMTS )的異丙醇溶液中80°C下浸泡120 min，取出後用大量純淨水衝洗，氮氣吹乾。最後，將基底放入0.1 M HCl中浸泡30 S，取出待用。
[0029](2)核殼結構的製備:
將0.9 g碳球分散在48 mL乙醇中，超聲處理30 min,接著往分散液中加入4 mL氨水，然後將溶有1.2 mL正矽酸乙酯(TEOS)的11 mL乙醇溶液逐滴加入到上述溶液中。攪拌24 h。離心、乙醇、純淨水清洗，循環數次得到棕黑色沉澱。
[0030](3)微納結構的組裝:
將0.2 g上述溶液分散在100 mL純淨水中。將處理後的基底浸泡在溶液中5~15min,然後以I mm/s的速度從溶液中取出樣品，用純淨水清洗。
[0031](4)塗層的熱處理:
將步驟(3)中得到的基底放入馬弗爐中500 °C煅燒2 h。[0032] (5)疏水物質修飾:
將步驟(4)中得到的玻璃放入烘箱中，在80 1:溫度條件下進行化學氣相沉積3h，將全氟辛基三氯矽烷修飾在微納米複合 結構表面，得到透明超疏水玻璃。
【權利要求】
1.一種透明超疏水塗層的製備方法，其特徵在於該方法具體步驟為: a基底的處理:將基底依次用不同極性大小的溶劑清洗，再經過H2O2和H2SO4的混合溶液處理，使基底的表面帶有一層矽羥基；然後將羥基化的基底放入溶有氨丙基三乙氧基矽烷的異丙醇溶劑中，使基底終端氨基化；最後將氨基化的基底放入鹽酸中浸泡30~60 S，使基底表面帶上正電荷；所述的基底為玻璃或石英； b核殼結構的製備:將碳球分散在極性溶液中，超聲15~30 min,往分散液中添加催化劑，再逐滴加入溶有矽酸酯的極性溶液，攪拌，最後通過離心分離出沉澱，依次用極性溶液，純淨水清洗；所述的催化劑為氨水； c微納結構的組裝:取核殼結構納米粒子分散在純淨水中，超聲15~30 min配成濃度為0.5~2 g/L的無機納米粒子溶液，再將帶有正電荷的基底浸泡在無機納米粒子溶液中5~15min，取出後用純淨水清洗，吹乾，從而完成微納結構在基底上的層狀組裝； d塗層的熱處理:將通過步驟c獲得的製備有微納複合結構塗層的基底放入馬弗爐中在400~600°C溫度下加熱廣3 h，除去核殼結構中的碳核，並且提高塗層的穩定性； e疏水物質的修飾:將步驟d獲得的基底再在60°C ~100°C條件下進行化學氣相沉澱，將含疏水鏈的分子修飾在塗層表面，從而在基底上得到透明超疏水自清潔塗層。
2.如權利要求1所述的透明超疏水塗層的製備方法，其特徵在於用於清洗的不同極性大小的溶劑為丙酮、乙醇或純淨水。
3.如權利要求1所述的透明超疏水塗層的製備方法，其特徵在於帶有負電荷的無機納米粒子為Carbon/Si02,粒徑大小在180~230 nm之間。
4.如權利要求1所述的`透明超疏水塗層的製備方法，其特徵在於矽酸酯為正矽酸四乙酯。
5.如權利要求1所述的透明超疏水塗層的製備方法，其特徵在於含疏水鏈的分子為全氟辛基三氯矽烷或全氟癸基三氯矽烷。
【文檔編號】C03C17/42GK103524053SQ201210226937
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月3日 優先權日:2012年7月3日
【發明者】郭志光, 陳鈺, 石雷, 李靜, 劉維民 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所