一種基於水性乳液的超疏水塗料及其製備方法和應用與流程

2023-05-05 07:29:57 1

本發明涉及塗料的製備領域，更具體的說是涉及一種基於水性乳液的超疏水塗料及其製備方法和應用。

背景技術：

由於嚴重的環境問題和資源問題，傳統的使用大量有機溶劑的塗料已經逐漸被水性塗料所取代。經過近幾十年的發展和不斷的改善，水性乳液已經具有優異的性能，且在木器家具、汽車工業、建築行業等都有廣泛的應用，而各種商品化的水性乳液塗料也層出不窮。

另一方面，隨著塗料工業不斷發展和科技的不斷進步，塗料的功能化也逐漸成為塗料工業發展的一個重要方向。由於在自清潔、抗凝冰、抗生物汙染和防腐蝕等方面的巨大應用前景，超疏水塗層，即靜態水接觸角大於150度和滾動角小於10度的塗層，得到了科研人員的廣泛關注。超疏水塗層製備技術近年來得到快速發展，目前已經有溶膠-凝膠法、層與層自組裝法、化學/電化學刻蝕法、相分離法、模版法和聚合物/無機材料複合法等多種不同方法出現。而製備超疏水塗層的關鍵主要在於構造一個微/納結構的粗糙表面，且該表面具有較低的表面自由能。然而在目前的方法中，或多或少存在著製備條件複雜、製備成本昂貴、難以大規模生產等問題。聚合物/無機材料複合法由於具有可以大規模生產和塗覆、原料廉價等優點，逐漸獲得廣泛關注。

在已知報導的研究中，大多數以聚合物/無機納米粒子複合製備超疏水塗層的方法都是將聚合物溶解、無機粒子分散於有機溶劑中(通常為VOC溶劑)，專利CN101962514A將低表面能聚合物、具有光催化活性的納米粒子和交聯劑溶解分散於有機溶劑中，室溫乾燥固化得到超疏水塗層，通過交聯劑將低表面能聚合物與無機納米粒子結合成為自清潔的超疏水塗層。而,Parkin等人則是先在基材上塗覆一層聚合物粘結劑，再塗覆一層含氟偶聯劑處理的二氧化鈦乙醇分散液，從而得到既可超疏水又可超疏油的塗層(Science,2015,347,1132-1135)。專利CN1786086A報導了將無機超細纖維材料與含氟乳液多次塗覆、固化，並高溫燒結，最終得到具有超疏水和一定疏油性的超疏水塗層。專利CN104017440A則是製備以含氟聚合物乳液為主的與其他聚合物乳液的混合液，並與適量有機稀釋劑稀釋的有機微-納米粒子複合，塗布及高溫固化後得到性能良好的超疏水塗層。這些專利以及研究成果的報導雖然都可以製備出超疏水塗層，然而在實際使用中仍然存在很多問題，比如：VOC的大量使用帶來的資源環境問題、多步法製備步驟不利於實際應用、複雜製備過程導致塗料可控性差，大量含氟乳液使用帶來的成本問題等。因此尋找無VOC的、可以簡單製備的超疏水塗料仍具有重要意義。

技術實現要素：

本發明目的在於針對上述存在問題，提供一種基於水性乳液的超疏水塗料及其製備方法和應用，該製備方法減少了VOC溶劑對資源環境的影響，同時通過簡單的一步複合，解決多步驟合成不利於實際生產應用的問題，從而得到一種環境友好、成本低廉、製備簡單的超疏水塗料，在耐沾汙、防腐蝕等方面具有廣泛的應用前景。

本發明的技術方案

一種基於水性乳液的超疏水塗料，由水性乳液、無機納米粒子、含氟矽烷偶聯劑和乙醇組成，各組分的質量百分比為：水性乳液5-50％、無機納米粒子1-20％、含氟矽烷偶聯劑0.1-2％、乙醇為餘量。

所述水性乳液為丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、矽丙乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、聚醋酸乙烯丙烯酸酯(醋丙)乳液、聚氨酯分散液、乙烯丙烯酸酯乳液和乙烯醋酸乙烯酯乳液中的一種及兩種以上任意比例的混合液，水性乳液中固形物的質量含量為30-60％。

所述無機納米粒子為納米二氧化矽、納米二氧化鈦、納米氧化鋅、納米碳酸鈣、納米氧化鋁和碳納米管中的一種或兩種以上任意比例的混合物；無機納米粒子粒徑為1-500納米。

所述含氟矽烷偶聯劑為十七氟烷基三甲氧基矽烷、十七氟烷基三乙氧基矽烷、十三氟烷基三甲氧基矽烷、十三氟烷基三乙氧基矽烷、十二氟烷基三甲氧基矽烷、十二氟烷基三乙氧基矽烷、六氟烷基三甲氧基矽烷和六氟烷基三乙氧基矽烷中的一種或兩種以上任意比例的混合物。

一種所述基於水性乳液的超疏水塗料的製備方法，步驟如下：

1)將水性乳液用乙醇稀釋，水性乳液與乙醇體積比為1：1-5，得到乙醇稀釋的水性乳液；

2)將無機納米粒子均勻分散在乙醇中，在攪拌條件下依次加入上述乙醇稀釋的水性乳液和含氟矽烷偶聯劑，繼續攪拌0.5-2h，製得超疏水塗料。

一種所述基於水性乳液的超疏水塗料的應用，將該塗料噴塗在玻璃、金屬、紙張基底上，50℃下乾燥，即可得到超疏水塗層；所述塗層的靜態水接觸角大於150度，滾動角小於10度。

本發明的優點是：

1)本發明以水性乳液為主要原料，所用的稀釋分散劑為乙醇，避免了VOC溶劑的使用，使得所述超疏水塗料具有環境友好性；

2)通過水性乳液、無機納米粒子與含氟矽烷偶聯劑的簡單複合製備超疏水塗料，步驟簡單，易於控制，利於大規模的工業化生產。

附圖說明

圖1為實施例1製備的超疏水塗層的靜態水接觸角測量圖。

圖2為實施例1製備的超疏水塗層的表面5微米-SEM圖。

圖3為實施例1製備的超疏水塗層的表面500納米-SEM圖。

圖4為實施例1製備的超疏水塗層的表面原子力顯微鏡圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明進行進一步闡釋，但本發明的技術方案不局限於以下的具體實施方式。

實施例1：

將固含量為38％的水性矽丙乳液用乙醇稀釋至固含量為10％。將3g納米二氧化矽粒子粒徑分別為14納米和50納米的混合物(質量比為3：1)加入5mL乙醇中，超聲15min得到均一的分散液。在攪拌條件下加入20mL乙醇稀釋的矽丙乳液和0.3g十三氟烷基三乙氧基矽烷，繼續攪拌2h後即得到所述的超疏水塗料。製備超疏水塗層採用噴塗的方式，將所得超疏水塗料噴塗至玻璃片上，50℃下乾燥24h即可得到超疏水塗層。塗層水接觸角155度，滾動角7.5度。

圖1為製備的超疏水塗層的靜態水接觸角測量圖。

圖2為製備的超疏水塗層的表面5微米-SEM圖，圖中表明：塗層表面形成了微米尺度的粗糙結構。

圖3為製備的超疏水塗層的表面500納米-SEM圖，圖中表明：塗層表面形成了納米尺度的粗糙結構。

圖4為製備的超疏水塗層的表面原子力顯微鏡圖，圖中表明：更直觀的顯示了在塗層表面，納米粒子構造出了一個微/納結構的粗糙表面。

實施例2：

將固含量為40％的水性苯丙乳液用乙醇稀釋至固含量為10％。將3g納米二氧化矽粒子(粒徑14納米)加入30mL乙醇中，超聲15min得到均一的分散液。在攪拌條件下加入20mL乙醇稀釋的苯丙乳液和0.6g十三氟烷基三甲氧基矽烷，繼續攪拌2h後即得到所述的超疏水塗料。製備超疏水塗層採用噴塗的方式，將所得超疏水塗料噴塗至玻璃片上，50℃下乾燥24h即可得到超疏水塗層。塗層水接觸角154度，滾動角6度。