利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法

2023-05-05 07:45:16 1

專利名稱：利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法
技術領域：
自清潔納米技術、納米顆粒疏水疏油技術。
背景技術：
材料表面的處理工藝是現代工業中不可缺少的生產工藝。材料表面的自清潔處理也是滿足生活需要所必須開發及不斷深化提高的技術手段之一。以玻璃表面處理為例:玻璃表面的處理可分為拋光、磨砂、蒙砂、親水自清潔或疏水自清潔。其中疏水自清潔塗料由於目前的技術方法在耐候性方面僅僅維持1-3年因而被整個玻璃行業所拋棄，在其他塗料行業也難以得到推廣普及。再比如汽車表面處理方法:常用的電泳烤漆、福特龍表面處理工藝，即以某些「表面能」極低的具有某些化學官能團的化學物質，通過物理或化學的方法或工藝牢固粘附在金屬表面，利用化學物質「表面能」極低的特性，實現不易粘附灰塵的效果，起到「自清潔」目的。但是現實生活中人們仍然看到汽車表面沾滿灰塵和泥漿。因此汽車需要不斷的清洗以滿足美觀和二次汙染環境的需要。在材料學中，常用的疏水方法是:將顆粒表面或物質分子中的羥基(-0H)官能團、氨基(_NH2、_NH4)官能團、硝基官能團等以烷基(_CnH2n+l)或「氟」基(_F)取代。常用的疏油方法是:將顆粒表面或物質分子中的烷基官能團(_CnH2n+l)進行取代，通常以「氟」(-F)取代。常用的物理生物仿生方法:荷葉自清潔技術是世界上較先進的自清潔技術，主要仿效荷葉表面的0.2-20微米的凸起，使凸起之間充滿空氣，使荷葉表面具有疏水或親水的功能。由此製得的荷葉塗料具有疏水功能，但目前市場上的荷葉塗料由於使用年限太低(約1-3年)，因此幾乎不被市場接受。同時市場上自清潔塗料還存在以下問題:疏水疏油處理後，疏水疏油角 度小，(以疏水為例:疏水約120°以下)自清潔效果差(水滴滴落後能夠看到水滴的行動軌跡，I秒內水滴運行的距離小於5cm，甚至小於Icm)耐候性較差(一般1_3年即可損壞，甚至不足I年，理論上低於5年)。由於耐候性較差，且沒有顯著效果，疏水的自清潔塗料被整個玻璃行業所放棄。玻璃表面常用的處理工藝有:通過噴砂、蒙砂、化學腐蝕、電化學處理等方法在玻璃表面進行拋光或使玻璃表面凹凸不平，目的是透光而不透明或者是為了印花等玻璃表面處理技術，通常通過噴砂處理使玻璃的印花或著色極大地提高附著力，通常經粗糙化處理的玻璃表面可提高附著力3倍以上，並極大的提高使用年限。納米顆粒疏水材料通常具有良好的疏水效果，納米顆粒需要粘合劑附著在物體表面上。但是通常的粘合劑附著方法有兩個缺陷:一是附著力不足，容易脫落，使使用效果大打折扣。二是使用粘合劑後疏水效果降低，降低後的疏水效果不足以起到徹底自清潔的目的。與以上兩種狀況相對應的是:經過疏水化處理的納米顆粒具有良好的疏水效果。普通材料的表面處理工藝有其普遍的共同特徵，但對玻璃材料而言，一般要求玻璃清潔的同時需要保持良好的透光和透明特性。透光是指光線可以透過玻璃但不一定是直線傳播，比如磨砂後的玻璃形成散射作為屏風或者辦公室隔斷，就是透光而不透明，透明是指光能沿直線傳播大部分光線不能形成散射不影響人們視線。關於光的透射、反射、折射、衍射、幹涉等特徵目前關心最多的是波的衍射。波的衍射條件是波可以繞過與波長相近或波長二分之一或四分之一的障礙物。這與天線接收無線電波類似。玻璃的疏水自清潔具有重要意義，在汽車擋風玻璃上運用疏水玻璃可以免除雨刷且由於雨刷存在給汽車帶來的結構特徵，比如快速行駛的汽車由於動力學原因必須將雨刷安裝在槽內，否則引起雨刷震動損壞。公共汽車或火車在冬季由於內外溫差較大，玻璃上水分凝結阻擋視線使玻璃形同虛設。賓館酒店沿街玻璃上也同樣在冬季存在水分凝結阻擋視線的問題，且水分凝結如同熱力學上的「熱管」，氣體液體之間的相變促使熱量快速傳遞，但在人們生活的汽車、火車、賓館、酒店、商場、居住房之內，玻璃的水分凝結增加了耗能，如果玻璃具有自清潔功能不能粘結水分就不會形成水分在玻璃上凝結，也就會增強室內保溫減少熱量損失從而減少耗能，因此，在玻璃上進行加工使玻璃高度疏水化達到自清潔目的具有重要的戰略意義。材料的疏水還有特殊的意義:在野外高壓電線在冬季由於冰掛使其重量增加而折斷損壞，增加維護維修困難。電器的防水具有重要意義:由於水的導電性能常使電器線路板短路導電損壞，目前通常的做法是增加密封性能，比如防水手機、防水鍵盤、防水線路板。但是如果能夠使材料不沾水即達到高效疏水效果，水珠能夠在平面上滾動，水珠由於自身具有表面張力(水分子內部形成氫鍵)在一定壓力條件下無法接觸線路，從而避免電路間的短路，從而達到防水效果。同理，水珠具有一定的大小，當材料表面的空隙與水珠相比差別較大時，水珠在一定條件下不會破碎，從而水珠不能穿越較小的縫隙到達內部(比如手機外殼必然有空隙，當外殼空隙較小時水珠就無法穿越手機機殼到達手機內部)，這樣就從另一種方式達到電器防水的目的。

發明內容
針對以上存在的問題:本技術方案提出通過物理或化學方法使材料表面具有凹凸不平的凸起表面，凸起的 表面對納米疏水顆粒粘結強度提高。同時保持材料表面的光潔性。技術方案:利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法，方法是:把材料表面處理成20nm-20um的凹凸面，所述凹凸面是指表面粗糙度Ra和表面平整度小於20um而大於0.02um,所述凹凸面的表面粗糙度Ra是指兩波峰或兩波谷之間的距離，所述表面平整度是指波峰所在平面與波谷所在平面之間的距離；將處理好的疏水或疏油或疏水和疏油的且直徑小於Ium的球星或無定型顆粒附著在所述材料表面，或者將所述材料表面通過物理或化學方法進行疏水或疏油化處理，達到疏水角度在150°以上，或疏油角度在110°以上，且使用年限在5年以上的實際效果及實現電器的防水；所述疏水或疏油納米顆粒為無機納米顆粒，無機納米顆粒通過有機或無機粘合劑附著在材料表面，所述疏水納米顆粒表面為非羥基、羰基、氨基官能團，所述疏油納米顆粒表面為非烷基官能團，表面粗糙度Ra和表面平整度介於20-200nm的凹凸材料表面具有光潔性、阻擋紅外線，及由阻擋紅外線產生保溫或隔熱功能。所述疏水和疏油納米顆粒表面為氣娃官能團，
所述疏水納米顆粒為無機二氧化矽納米顆粒，其表面羥基官能團在氨水做催化劑的作用下加入醇類，羥基被烷基取代；所述疏水或疏油納米顆粒為無機二氧化矽納米顆粒，其表面羥基或烷基官能團被氟取代。所述材料表面處理是利用噴砂、磨砂及化學腐蝕、電化學處理方法或包括機械打磨、噴砂以及除噴砂之外的粒子轟擊及其他物理方法，所述噴砂或其他粒子轟擊的顆粒直徑在50nm-50um之間。使用以上技術手段可以實現材料表面疏水疏油的耐候性達到5年以上，且再噴塗工藝簡單。疏水效果好，疏水角度150°以上，疏油角度110°以上。保持材料的光潔特點自清潔效果明顯。由於不結霜阻礙了熱量通過水分相變散熱，保溫隔熱效果明顯。在45度斜面上水滴的運動速度超過5cm/秒，甚至超過30cm/秒。
具體實施方式
: 實驗中所用的納米顆粒是30納米和100納米二氧化娃疏水微球。通過正娃酸乙酯加氨水加乙醇加去離子水在攪拌的情況下反應一定時間製得。疏水微球在玻璃載玻片上經均勻塗抹後具有良好的疏水效果，疏水角度可以達到150°以上，有時甚至超過170°。在一個平面上就可以觀察到水珠的滾動。加透明粘合劑後，納米微球在玻璃上的附著力增強，但依然能清洗掉。在蒙砂玻璃上加入納米疏水微球後清洗不掉，且疏水效果依然良好。但由於蒙砂玻璃凹凸面較大，影響了透明，因此需要製作特殊的蒙砂玻璃，即既要保持玻璃表面的凹凸不平，又要保證玻璃的透光性。這就需要玻璃表面的凹凸尺寸在一定範圍內。可見光的波長為390納米-780納米，當玻璃表面的顆粒大小小於可見光波長或小於可見光波長的四分之一時可以完全透過可見光，根據光的衍射原理，當作為「障礙物」的顆粒大小等於光的波長，或者波長的二分之一或者波長的四分之一時光波可以繞到障礙物的後面去，即顆粒不影響光線透過。但是在塗抹後的玻璃表面上，通常顆粒較多，甚至顆粒為多層，顆粒與顆粒間的縫隙小於顆粒大小本身，因此在實踐中可以認為100納米以下的顆粒不阻擋可見光線。即在玻璃上附著100納米以下的二氧化矽微球仍可以保持玻璃的完全透明。但是作為玻璃表面本身的凹凸，凹凸在390納米-780納米的四分之一區間，可以透過可見光，玻璃表面的凸起間的縫隙在IOOnm以上200納米以下即表面不平整度大於100納米而小於200納米可以認為透光良好。同時，在這個區間可以有效阻擋紅外線。如果凹凸之間的間隙繼續增大，透可見光沒有問題，但同時也能透過紅外線，且繼續增大到3um以上時，將形成散射，如同磨砂玻璃，透光但不透明。因此，解決本技術問題的關鍵是通過物理或化學方法使玻璃表面具有凹凸不平的凸起表面，凸起的表面對納米疏水顆粒粘結強度提高，同時使凹凸顆粒在一定區間，使保持玻璃的透明性。技術方案中，根本目的是實現玻璃表面自清潔，方法是利用疏水或疏油的納米顆粒粘附在具有凹凸的玻璃表面，因此需要把玻璃表面處理成20-3000nm的凹凸面，所述凹凸面是指表面平整度和表面粗糙度Ra小於3um而大於0.02um,所述凹凸面的表面粗糙度Ra是指兩波峰或兩波谷之間的距離，所述表面平整度是指波峰所在平面與波谷所在平面之間的距離；這些都是本領域常用技術指標。處理好玻璃表面之後，第二部需將處理好的疏水或疏油或疏水且疏油的球星或無定型顆粒附著在所述玻璃表面上，其中所述處理好的納米顆粒直徑小於100納米。或者直接將所述玻璃表面通過物理或化學方法進行疏水或疏油化處理，這樣就可以免除將顆粒在玻璃表面附著。要達到好的自清潔目的必須有較好的疏水效果或疏油效果，好的疏水效果必須達到疏水角度在150°以上，或疏油角度在110°以上，且使用年限在5年以上；這樣可以避免使用年限短而需要重複操作上述步驟。同時，將玻璃表面處理好後，再進行疏水顆粒或疏油顆粒的附著也會相對簡單。因此玻璃表面的處理步驟不僅能夠提高納米顆粒的附著強度，增加使用年限，同時即使疏水疏油層在幾年後遭到破壞，再進行噴塗納米顆粒也會變得相當簡單。因此玻璃表面的處理非常重要。所述疏水或疏油納米顆粒為無機納米顆粒，無機納米顆粒通過有機或無機粘合劑附著在玻璃表面，無機粘合劑如矽溶膠粘結後可以避免氧化，增加使用壽命。但有機粘合劑可以增加粘結層的韌性，避免膜層開裂。因此在使用中可以配合使用。親水的分子官能團常和水分子形成氫鍵，疏水分子就不能形成氫鍵，因此疏水納米顆粒表面必須為為非羥基、羰基、氨基等官能團，同理所述疏油納米顆粒表面必須為非烷基官能團，而疏水且疏油的官能團一般為氟矽鍵。20_200nm的凹凸玻璃表面具有透過可見光、阻擋紅外線，及由阻擋紅外線產生保溫或隔熱功能。所述疏水納米顆粒為無機二氧化矽納米顆粒，其表面羥基官能團在氨水做催化劑的作用下加入醇類，羥基被烷基取代；所述疏水或疏油納米顆粒為無機二氧化矽納米顆粒，其表面羥基或烷基官能團被氟取代。所述玻璃表面處理是利用噴砂、磨砂及化學腐蝕、電化學處理方法或包括機械打磨、噴砂以及除噴砂之外的粒子轟擊及其他物理方法，比如磁控濺射，比如雷射等所有能夠使表面呈凹凸的技術手段。所述噴砂或其他粒子轟擊的顆粒直徑在50nm-5000nm之間。這是由於粒子的最大直徑不一定造成凹凸的最大直徑，因為粒子嵌入玻璃有一定深度，當5um的粒子轟擊玻璃進入三分之一的尺寸時，被轟擊的玻璃僅有最大3um的凹凸，同時可以控制距離和噴砂速度，得到需要的凹凸尺寸。化學腐蝕在拋光和磨砂中都有運用，包括藥水的濃度和侵蝕時間。拋光和磨砂都是需要尺寸不同的凹凸面，而本技術方案需要的凹凸尺寸介於拋光和磨砂之間，比如利用相同的濃度而需要一半的腐蝕時 間，或者較小的濃度同樣的腐蝕時間。具體操作千差萬另IJ，主要是藥水濃度和作用時間的配比也會有多種，在實踐中有多種搭配；本技術方案不能一一具體，本技術方案僅僅限定化學腐蝕後的凹凸尺寸。使用以上技術手段可以實現玻璃表面疏水疏油的耐候性達到5年以上，且再噴塗工藝簡單。且能達到疏水角度150°以上，疏油角度110°以上。保持玻璃透明的特性。自清潔效果明顯。在45度斜面上水滴的運動速度超過5cm/秒。甚至超過30cm/秒。這明顯區別於普通的疏水材料。可以達到迅速清潔玻璃表面的目的並不阻擋人們的視線，提高在下雨天透過玻璃的能見度。玻璃表面的自清潔技術是材料表面自清潔技術的一個特例。材料表面的自清潔技術包括金屬表面的自清潔技術，比如車體、輪船、飛行物以及其他材料表面的自清潔。還有電器的防水。採用疏水材料實現電器的防水也是材料自清潔的重要內容。只不過材料表面的凹凸尺寸與玻璃的透明不一樣，材料表面的凹凸尺寸要比玻璃寬泛一些，比如凹凸尺寸可以達到20微米以下，我們的肉眼無法分辨100微米以下的物體。當材料表面的凹凸尺寸小於20微米時，感官上會感覺滿足「光潔」的需要。同時處理表面的化學腐蝕時間及物理粒子轟擊的尺寸都會有所改變。要求噴砂或其他粒子轟擊的顆粒直徑在50nm-50um之間，以實現粗糙度和表面平整度介於20nm-20um的要求。
材料的疏水還有特殊的意義:在野外高壓電線在冬季由於冰掛使其重量增加而折斷損壞，增加維護維修困難。電器的防水具有重要意義:由於水的導電性能常使電器線路板短路導電損壞，目前通常的做法是增加密封性能，比如防水手機、防水鍵盤、防水線路板。但是如果能夠使材料不沾水即達到高效疏水效果，水珠能夠在平面上滾動，水珠由於自身具有表面張力(水分子內部形成氫鍵)在一定壓力條件下無法接觸線路，從而避免電路間的短路，從而達到防水效果。同理，水珠具有一定的大小，當材料表面的空隙與水珠相比差別較大時，水珠在一定條件下不會破碎，從而水珠不能穿越較小的縫隙到達內部(比如手機外殼必然有空隙，當外殼空隙較小時水珠就無法穿越手機機殼到達手機內部)，這樣就從另一種方式達到電器防水的目的。使用以上技術手段可以實現材料表面疏水疏油的耐候性達到5年以上，且再噴塗工藝簡單。且能達到疏水角度150°以上，疏油角度110°以上。保持材料的光潔特性。自清潔效果明顯。實現電器防水。在經過疏水處理的45度斜面上水滴的運動速度超過5cm/秒。甚至超過30cm/秒。這明顯區別於普通的疏水材料。可以達到迅速清潔材料表面的目的並不影響人們對 材料美感度的要求。
權利要求
1.利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法，方法是:把材料表面處理成20-20um的凹凸面，所述凹凸面是指表面粗糙度Ra和表面平整度小於20um而大於0.02um,所述凹凸面的表面粗糙度Ra是指兩波峰或兩波谷之間的距離，所述表面平整度是指波峰所在平面與波谷所在平面之間的距離；將處理好的疏水或疏油或疏水和疏油的且直徑小於I微米的球星或無定型顆粒附著在所述材料表面，或者將所述材料表面通過物理或化學方法進行疏水或疏油化處理，達到疏水角度在150°以上，或疏油角度在110°以上，且使用年限在5年以上的實際效果及電器的防水目的；所述疏水或疏油納米顆粒為無機納米顆粒，無機納米顆粒通過有機或無機粘合劑附著在材料表面，所述疏水納米顆粒表面為非羥基、羰基、氨基官能團，所述疏油納米顆粒表面為非烷基官能團，所述材料表面粗糙度Ra和表面平整度介於20-200nm的凹凸尺寸時，所述材料表面具有光潔美感且阻擋紅外線，及由阻擋紅外線產生保溫或隔熱功能。
2.根據權利要求1所述的一種利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法，其特徵是所述疏水和疏油納米顆粒表面為氟矽官能團。
3.根據權利要求1所述的一種利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法，其特徵是所述疏水納米顆粒為無機二氧化矽納米顆粒，其表面羥基官能團在氨水做催化劑的作用下加入醇類，羥基被烷基取代；所述疏水或疏油納米顆粒為無機二氧化矽納米顆粒，其表面羥基或烷基官能團被氟取代。
4.根據權利要求1所述的一種利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法，其特徵是所述材料表面處理是利用噴砂、磨砂及化學腐蝕、電化學處理方法或包括機械打磨、噴砂以及除噴砂之外的粒子轟擊及其他物理方法，所述噴砂或其他粒子轟擊的顆粒直徑在50nm-50um之間。
5.根據權利要求1所述的一種利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法，其特徵是所述防水電器包 括手機、鍵盤、線路板防水。
全文摘要
一種利用疏水或疏油的納米顆粒實現材料表面自清潔的方法屬於材料領域，主要解決疏水疏油自清潔材料的使用效果和使用年限問題。技術方案採取將材料表面製作成20納米至20微米的凹凸，然後附著1微米以下的疏水或疏油微球或者不定型粒狀體，起到疏水疏油效果好即疏水角度150°以上、附著力強即使用年限在5年以上的效果。並且不影響材料的光潔度和美觀，此方法能夠實現材料表面疏水疏油自清潔和電器的防水目的。
文檔編號C03C17/00GK103232169SQ20131015908
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月3日 優先權日2013年2月19日
發明者馮益安, 姜福波 申請人:馮益安