[发明专利]有机聚硅氮烷/无机纳米材料超疏水涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超疏水涂层技术领域，具体涉及一种基于有机聚硅氮烷/无机纳米材料层层组装的超疏水涂层及其制备方法。

背景技术

超疏水表面一般指水滴在其接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。它具有自清洁、抗粘附、防雾抑菌、防水等优良特性，因而引起了人们的极大关注和研究兴趣。随着生产和生活水平的提高，人们越加注重对生活质量的追求，这使得超疏水材料在防水衣物、外墙涂料、电子元器件、管道微流、油水分离、生物医用等领域展现出十分广泛的应用前景。然而，目前超疏水表面的制备方法不仅工艺复杂、成本高昂，而且涂层表面的微纳结构极易被破坏，使其超疏水性在使用过程中难以保持。因此，发明一种性能稳定的超疏水表面涂层以及构建这一涂层的简单易行的制备方法，对推动超疏水涂层在实际生产、生活中的应用具有重要的意义和实践价值。

近年来，聚硅氮烷作为一种新型的涂层材料，其应用正逐渐从军事领域扩展至民用生产领域，在涂料领域中发挥着越来越重要的作用。它是由硅和氮原子交替形成基本骨架的聚合物，以分子式[R₁R₂Si-NR₃]_n表示。根据R₁、R₂和R₃基团的不同，聚硅氮烷具有不同的大分子结构和性能特征。若R₁、R₂和R₃均为氢原子，则称为全氢聚硅氮烷(PHPS)，即无机聚硅氮烷；若部分或全部氢原子被有机基团取代，则称为有机聚硅氮烷(OPSZ)。有机聚硅氮烷作为涂层材料，与纳米颗粒、颜料、填料、助剂和其它有机树脂配合使用，可紧密附着在金属、玻璃、矿物、陶瓷、有机高分子材料等物质的表面而形成涂层。通过对涂层组成和制备方法、工艺的调控，可赋予涂层各种特性或功能性，如高硬度、紫外线透明性、防腐性、耐热性、热稳定性、耐候性和耐化学性等优异的物理化学性能。

目前，已有研究将有机聚硅氮烷应用于疏水涂料领域。中国发明专利申请CN 105385349 A公开了一种疏水防污有机聚硅氮烷涂料及其制备方法。该方法通过硅氢加成反应，使用全氟烷基乙基烯丙基醚对有机聚硅氮烷进行疏水改性，再加入流平剂、增稠剂等助剂，制得了与基材附着力较好、硬度高、耐磨性和耐候性良好、使用寿命长的疏水性防污自清洁涂料。但是，该方法采用硅氢加成反应对有机聚硅氮烷进行氟化改性，工艺较繁琐，成本较高，残留在产物中的催化剂难以除去；另一方面，由于有机聚硅氮烷极易与空气中的水汽发生反应，反应过程需要严格的无水条件，这无疑增加了对设备的要求，致使其研究和应用均受到了较大的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与基材的附着性好，表面涂层具有优异的超疏水性、机械和化学稳定性，制备工艺简单，且适用于大面积超疏水涂层的制备的基于有机聚硅氮烷/无机纳米材料层层组装的超疏水涂层及其制备方法。

本发明有机聚硅氮烷/无机纳米材料复合涂层的制备方法，引入疏水性的无机纳米材料，提高涂层的疏水性，并采用操作简单，设备要求较低的沉积技术，通过有机聚硅氮烷和疏水性无机纳米材料交替层层组装和热处理，制得性能稳定的超疏水涂层。本发明在保留有机聚硅氮烷赋予涂层优异的机械和化学稳定性、与基材良好附着力的同时，不需要对有机聚硅氮烷进行疏水改性，从而简化了工艺和制备过程，提高了工程化的可行性，更加利于涂层的大面积制备。同时，通过无机纳米材料的引入，在涂层表面形成了微纳米复合结构，大大提高涂层的疏水性，达到超疏水状态。现有技术尚未有机聚硅氮烷应用于制备具有特殊浸润性表面的研究还未见报道。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

有机聚硅氮烷/无机纳米材料超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)疏水性无机纳米材料分散液的制备：将无机纳米材料超声分散在醇类溶剂中，得到质量分数为0.1～60wt％的无机纳米材料分散液；将含氟硅烷偶联剂和硅酸酯加入到无机纳米材料分散液中，通过加入氨水调节其pH值至8～12；在20～80℃下反应6～48小时，得到疏水性无机纳米材料分散液；

所述含氟硅烷偶联剂为十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、九氟己基三甲氧基硅烷、九氟己基三乙氧基硅烷、五氟苯基三乙氧基硅烷中的一种或多种；