[发明专利]一种透明超疏水纳米涂层及其喷涂制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明超疏水纳米涂层的处理方法。

背景技术

自20世纪90年代以来，固体表面超疏水性(与水滴接触角大于150°，滚动角小于10°)一直是国际研究的前沿和热点之一，表面微观结构和低表面自由能是超疏水表面的两个重要因素。

从自然现象和生产生活中得到启示，研究者们发明了许多超疏水表面的制备技术，包括模板法、刻蚀法、溶胶-凝胶法、表面自组装法、化学沉积法、相分离法、静电纺丝法、阳极氧化法等。所使用的原料和基体等也多种多样。随着纳米粒子的发展成熟和广泛应用，超疏水表面的制备方案也有所突破。由于透明超疏水表面对粗糙度的尺寸有着更高的要求，研究者们将目光更多的投向纳米颗粒的应用。在玻璃基体上，纳米结构通常是通过浸渍、喷涂和旋涂纳米粒子来制备，也有比较特殊的方法如用模板法、等离子法、气相沉积法等。值得注意的是，用SiO₂纳米颗粒来提供纳米结构是绝大多数选择。SiO₂的可见光透过率非常高，同时它具有高硬度的特点，是制备透明超疏水表面较为理想的原料之一。一些报道过的研究已经可使光透射率接近100％，有一些报道甚至表明，由于抗反射效果，涂层表面比未涂覆的基材更能增强透射。然而，许多表面需要用氟硅烷或其他低表面能物质修饰处理才能实现超疏水性。接触角和滚动角对自清洁能力的评估是重要的，但是在某些情况下，报道中并没有提及。对于使用聚二甲基硅氧烷和二氧化硅纳米颗粒为原料，采用喷涂的方法在玻璃表面制备高透明度的超疏水涂层，则未见任何报道。

发明内容

本发明提供一种透明超疏水纳米涂层及其喷涂制备方法，能够形成一层纳米级的透明超疏水表面。

本发明采用如下技术方案：一种透明超疏水纳米涂层，首先以丙酮为溶剂，分别制备浓度为5～20mg/mL的亲水或疏水性气相二氧化硅纳米颗粒溶液、2～10mg/mL硅橡胶预聚物溶液，分别超声分散均匀后将两种溶液等体积充分混合，再超声分散获得有机无机杂化乳液；随后加入去离子水，去离子水加入量与乳液体积比为1:1～9，再超声分散均匀即获得喷涂悬浮液；所述的硅橡胶预聚物为聚二甲基硅氧烷丙酮溶液与固化剂反应得到的聚二甲基硅氧烷及其衍生物，固化剂的加入量与聚二甲基硅氧烷的重量比为1:10。所述的疏水气相二氧化硅纳米粒子的粒径为15～40nm。

所述的透明超疏水纳米涂层的喷涂方法，将分散均匀的乳白色喷涂悬浮液喷涂到洁净的基体上；喷涂区域面积为0.05m²以上，选用喷嘴直径0.5～2mm的喷枪喷涂，小于0.05m²时，选用喷嘴直径0.2～0.5mm的喷笔进行喷涂；喷枪喷涂时，调整喷斑为扇形，喷嘴距基材待喷涂表面10～20cm，从左至右以2～5cm/s的速度从上到下依次喷涂，喷涂压力为30～80psi，随后从上至下以2～5cm/s的速度从左到右依次喷涂，喷涂压力不变，如此重复两次至五次；喷笔喷涂时，喷嘴距基材待喷涂表面5～10cm，从左至右以2～5cm/s的速度从上到下依次喷涂，喷涂压力为10～30psi，随后从上至下以2～5cm/s的速度从左到右依次喷涂，喷涂压力不变，如此重复两次至五次；喷涂后，将基材至于室外阳光暴晒2～6h，或直接置于60～80℃烘箱中固化20～60min，制备出具有高透明性的超疏水表面。

所述基体包括玻璃、瓷砖、混凝土、金属、纺织物、塑料、木材、复合材料中的任意一种。

有益效果：

(1)硅橡胶预聚物对表面的微观结构的形成比较重要。作为成膜树脂，适量的硅橡胶预聚物能够将二氧化硅纳米粒子有效固定在基体上，有助于粒子的团聚和分布。而硅橡胶预聚物含量过多则会包裹纳米粒子，从而影响表面的疏水效果和涂层的透明度。

(2)配制二氧化硅纳米颗粒和硅橡胶预聚物的有机杂化乳液时，超声处理至关重要。一方面可以将纳米颗粒和硅橡胶预聚物很好的分散在溶剂中，避免颗粒团聚尺寸过大，喷涂沉积后影响透明性；另一方面，超声还使得硅橡胶预聚物很好的包覆在二氧化硅纳米颗粒表面，由于硅橡胶预聚物固化后具有疏水性，所以使得原本是亲水的二氧化硅纳米颗粒，也无需任何表面处理，如硅烷或氟硅烷修饰，也可以获得超疏水喷涂涂层。

(3)该纳米涂层对基体几乎没有损伤。采用喷涂法制备的涂层主要通过硅橡胶预聚物与基体结合，硅橡胶预聚物是一种-Si-O-长链的结构，不会破坏基体表面。同时，水的加入不但促进了涂膜纳米粗糙结构的形成，提高了超疏水效果，还降低了涂料的挥发性和易燃性，且有助于进一步降低成本，对提高膜基结合力也有很高的帮助。