技术领域
[0001] 本
发明属于超疏水表面的制备及应用技术领域，具体涉及一种耐磨超疏水涂料组合物及其制备方法和应用。
背景技术
[0002] 自20世纪90年代德国波恩大学Barthlott研究小组首次报告了荷叶表面具有的超疏水特性研究以来，此表面特性也被广泛称为“荷叶效应”。超疏水表面一般是指固体表面与水滴的
接触角大于150°且滚动角小于10°。由于超疏水表面与水的接触面积非常小，水滴不能在其表面停留，极易从表面滚落。因此，超疏水表面不仅具有自清洁功能，而且还具有防
腐蚀、防水、减阻、防雾、抗
冰等功能，在航空、航海、
能源、
电子、建筑、防腐、
传热等领域具有广泛的应用前景。
[0003] 固体表面的超疏水特性主要是由两个因素所决定的，低表面自由能和适宜的粗糙度。常规的超疏水涂料多采用含氟或
硅的低表面自由能
树脂与纳米颗粒混合分散而成。如
专利CN10378880A和CN103865372A都提出了将氟改性
丙烯酸酯与表面接枝硅烷
偶联剂的
二氧化硅
纳米粒子混合分散制成超疏水涂料的方法，该类方法虽然简单易行，但其涂层的
耐磨性较差，在短暂
风蚀或摩擦的作用下超疏水特性极易失去，实用性能不强。为了使涂层的耐磨性得到有效的提高，专利CN104910776A提出了一种采用粘结材料来增强涂层耐磨性的方法。首先将粘结材料溶解后涂覆在基材表面，干燥后再涂覆
纳米材料分散液，待干燥后利用加热或加压的方法使纳米材料部分嵌入粘结层，然后将粘合不牢的纳米颗粒去除以获得具有一定耐磨性的超疏水涂层。但是制备此超疏水涂层的方法所需步骤较多，无法在短时间内或通过简单的一步法来获得，因此其在工业应用中受到极大地限制。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术存在的不足，提供一种制备方法简单，具有良好耐磨性的超疏水涂料组合物及其应用工艺。
[0005] 为达上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0006] 超疏水涂料组合物包括纳米材料分散液和粘结材料分散液两组分。将纳米材料分散液与粘结材料分散液按比例混合均匀后，可通过刷涂、
浸涂、
旋涂、辊涂、
喷涂和淋涂等方法涂布于玻璃、金属、陶瓷、木材、纸、布料、塑料等基体表面，最终形成耐磨的超疏水涂层。
[0007] 所述的纳米材料分散液主要由纳米颗粒材料、疏水性硅烷偶联剂和挥发性
溶剂混合而成，纳米颗粒由于其相互之间的作用形成具有微纳米双重尺度的粗糙结构，此结构分散在含有疏水性硅烷偶联剂的溶液中；其中疏水性硅烷偶联剂具有一个或多个基团与微纳米双重粗糙结构形成共价键连接，同时还至少含有一个具有疏水性的基团；通过疏水性硅烷偶联剂与微纳米双重粗糙结构之间的共价键连接，增加了此粗糙结构在溶液与涂层中的
稳定性，因此赋予超疏水涂层更好的耐磨性。
[0008] 所述的粘结材料分散液主要由粘结材料与其良溶剂混合分散而成。
[0009] 优选地，微纳米双重粗糙结构的尺寸为0.03-5微米。
[0010] 优选地，所述纳米颗粒材料包括以下各项中的一种或多种：二氧化
钛、
碳酸
钙、
二氧化硅、氧化锌、
高岭土、氧化
铝和聚四氟乙烯，其中纳米颗粒可以是未经改性的，也可以是经过改性的，其粒径分布为10-1000纳米。
[0011] 优选地，所述疏水性硅烷偶联剂包括以下各项中的一种或多种：十六烷基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷和十七氟癸基三甲氧基硅烷。
[0012] 优选地，所述挥发性溶剂包括以下各项中的一种或多种：丙
酮、甲醇、
乙醇和异丙醇。
[0013] 优选地，所述粘结材料包括以下各项中的一种或多种：氟碳树脂、
环氧树脂、
醇酸树脂、有机硅树脂或聚
氨酯树脂；所述其良溶剂为丙酮、二
甲苯、乙酸乙酯、丁酮、正己烷和二甲基甲酰胺中的一种或多种。
[0014] 优选地，所述的粘结材料分散液还可以含有消泡剂、促进剂、防沉剂、
流平剂、颜料等助剂。
[0015] 提供上述一种耐磨超疏水涂料组合物的制备方法，包括如下步骤：
[0016] 步骤(1)、将纳米颗粒材料和疏水性硅烷偶联剂加入挥发性溶剂中，采用机械搅拌分散方式处理5-90分钟，同时也可以采用超声分散方式辅助处理，形成纳米材料分散液，其中纳米颗粒材料的
质量分数为0.1-10％，疏水性硅烷偶联剂的质量分数为0.1-10％；
[0017] 步骤(2)、将粘结材料与其良溶剂混合，
温度控制在10-40℃，机械搅拌10-90分钟，形成粘结材料分散液，其中粘结材料的质量分数为5-50％。
[0018] 以上所述的制备方法中，在步骤(1)中纳米材料分散液的处理时间以疏水性硅烷偶联剂完全修饰纳米材料的时间为准。纳米材料经过修饰后，在纳米材料分散液中形成0.03-5微米尺寸的粗糙结构，并且疏水性硅烷偶联剂通过共价键接枝在其表面。
[0019] 在步骤(2)所述的粘结材料分散液中，还可以含有消泡剂、促进剂、防沉剂、流平剂、颜料等助剂。
[0020] 以上所述的一种耐磨超疏水涂料组合物的应用工艺，包括如下步骤：
[0021] 步骤(3)、在涂料使用时，将纳米材料分散液和粘结材料分散液按比例混合，
温度控制在10-40℃，机械搅拌10-120分钟，形成均匀的混合溶液。
[0022] 根据应用所需，本领域技术人员对纳米材料分散液和粘结材料的比例关系可自行调节。
[0023] 步骤(4)、将待涂覆基体表面进行去尘、去油污处理直至干净并干燥后，通过刷涂、浸涂、旋涂、辊涂、喷涂或淋涂等方法将步骤(3)中所述的混合溶液涂覆在基体表面，干燥或
固化后形成超疏水涂层。
[0024] 所述基体为玻璃、金属、陶瓷、木材、纸、布料或塑料。
[0025] 本发明的有益效果主要表现在：经此超疏水涂料组合物形成的超疏水涂层保持了长期有效的超疏水特性；涂料组合物中采用粘结材料增强了超疏水结构与基体之间的结合
力，增强了涂层的保护效果；涂料组合物中采用疏水性硅烷偶联剂增加了微纳米双重粗糙结构的稳定性，从而提高了超疏水涂层的耐磨性；超疏水涂层的加工工艺简单方便，有利于大面积的施工。
附图说明
[0026] 图1为本发明
实施例1中涂层表面微
纳米级别的双重粗糙结构的扫描电镜图。
[0027] 图2为本发明实施例1中所得涂层耐摩擦实验之前对水的接触角状态图。
[0028] 图3为本发明实施例1中所得涂层耐摩擦实验之后对水的接触角状态图。
[0029] 图4为本发明实施例2中所得涂层耐摩擦实验之前对水的接触角状态图。
[0030] 图5为本发明实施例2中所得涂层耐摩擦实验之后对水的接触角状态图。
具体实施方式
[0031] 以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
[0032] 实施例1
[0033] 纳米材料分散液制备：将1.5g疏水性气相二氧化硅(R972)和1.0g全氟辛基三乙氧基硅烷加入27.5g异丙醇溶液中，机械搅拌30分钟，即得纳米材料分散液；微纳米双重粗糙结构的尺寸为0.03-3微米。
[0034] 粘结材料分散液制备：将6.0g环氧树脂(EPO-TEK301)加入24.0g丙酮中，机械搅拌40分钟即得粘结材料分散液；
[0035] 应用工艺：将以上纳米材料分散液和粘结材料分散液混合，机械搅拌20分钟后混合均匀。将得到的混合溶液通过压力为40psi的空气枪，以20cm的距离和8cm/s的速度喷3遍于干净的玻璃板上，然后将玻璃板在室温下干燥1小时后于65℃的烘箱中固化2小时，最终在玻璃表面获得超疏水涂层。
[0036] 测试结果：涂层的表面具有微纳米尺度的双重粗糙结构(附图1)，其静态接触角为164°(附图2)，滚动角为3°；经摩擦实验(负载10N/100mm2，摩擦1000次，转速100r/min)后，其静态接触角为158°(附图3)，滚动角为5°。
[0037] 实施例2
[0038] 纳米材料分散液制备：将0.5g疏水性气相二氧化硅(R972)、1.0g纳米二氧化钛(TTP-A10)和1.0g十六烷基三甲氧基硅烷加入27.5g乙醇溶液中，机械搅拌30分钟，即得纳米材料分散液；微纳米双重粗糙结构的尺寸为0.08-4微米。
[0039] 粘结材料分散液制备：将8.0g聚氨酯树脂(KL-540E)加入10.0g丙酮、6.0g乙酸乙酯和6.0g二甲基甲酰胺的混合溶液中，机械搅拌30分钟即得粘结材料分散液；
[0040] 应用工艺：将以上纳米材料分散液和粘结材料分散液混合，机械搅拌20分钟后混合均匀。将得到的混合溶液刷涂在干净的
铁片上，在120℃的烘箱中烘干2小时，最终在铁片表面获得超疏水涂层。
[0041] 测试结果：涂层的表面具有微纳米尺度的双重粗糙结构，其静态接触角为172°(附图4)，滚动角为2°；经摩擦实验(负载10N/100mm2，摩擦1000次，转速100r/min)后，其静态接触角为152°(附图5)，滚动角为4°。
[0042] 实施例3
[0043] 纳米材料分散液制备：将2.5g纳米聚四氟乙烯颗粒(3M-1600)和1.5g辛基三甲氧基硅烷加入16.0g丙酮和10.0g乙醇的混合溶液中，机械搅拌20分钟，即得纳米材料分散液；微纳米双重粗糙结构的尺寸为0.1-5微米。
[0044] 粘结材料分散液制备：将7.0g聚偏氟乙烯(V203)加入23.0g二甲基甲酰胺溶液中，机械搅拌30分钟即得粘结材料分散液；
[0045] 应用工艺：将以上纳米材料分散液和粘结材料分散液混合，机械搅拌20分钟后混合均匀。将得到的混合溶液旋涂在干净的
铝片上，在120℃的烘箱中烘干2.5小时，最终在铝片表面获得超疏水涂层。
[0046] 测试结果：涂层的表面具有微纳米尺度的双重粗糙结构，其静态接触角为158°，滚2
动角为3°；经摩擦实验(负载10N/100mm ，摩擦1000次，转速100r/min)后，其静态接触角为
151°，滚动角为5°。
[0047] 实施例4
[0048] 纳米材料分散液制备：将1.5g纳米二氧化硅(TS-530)和1.0g十三氟辛基三甲氧基硅烷加入27.5g丙酮和10.0g乙醇的混合溶液中，机械搅拌20分钟，即得纳米材料分散液；微纳米双重粗糙结构的尺寸为0.03-3微米。
[0049] 粘结材料分散液制备：将7.0g有机硅树脂(OS-903AB)加入18.0g丙酮和5.0g二甲苯混合溶液中，机械搅拌30分钟即得粘结材料分散液；
[0050] 应用工艺：将以上纳米材料分散液和粘结材料分散液混合，机械搅拌20分钟后混合均匀。将得到的混合溶液浸涂在干净的
棉布上，在100℃的烘箱中烘干1.5小时，最终在棉布表面获得超疏水涂层。
[0051] 测试结果：涂层表面的静态接触角为162°，滚动角为4°；经摩擦实验(负载10N/100mm2，摩擦1000次，转速100r/min)后，其静态接触角为153°，滚动角为5°。
[0052] 实施例5
[0053] 纳米材料分散液制备：将0.03g纳米碳酸钙(TH-2500)和1.0g异丁基三乙氧基硅烷加入28.97g甲醇溶液中，超声分散20分钟，即得纳米材料分散液；微纳米双重粗糙结构的尺寸为0.2-4微米。
[0054] 粘结材料分散液制备：将1g消泡剂(BYK-057)、6.0g醇酸树脂(BC-6501-80)加入18.0g丙酮和5.0g二甲苯混合溶液中，机械搅拌30分钟即得粘结材料分散液；
[0055] 应用工艺：将以上纳米材料分散液和粘结材料分散液混合，40℃机械搅拌10分钟后混合均匀。将得到的混合溶液浸涂在干净的陶瓷表面，在90℃的烘箱中烘干3.0小时，最终在陶瓷表面获得超疏水涂层。
[0056] 测试结果：涂层表面的静态接触角为167°，滚动角为6°；经摩擦实验(负载10N/100mm2，摩擦1000次，转速100r/min)后，其静态接触角为162°，滚动角为7°。
[0057] 实施例6
[0058] 纳米材料分散液制备：将3g纳米氧化锌(PZT-30)和1.0g异丁基三甲氧基硅烷加入16g甲醇溶液中，超声分散20分钟，即得纳米材料分散液；微纳米双重粗糙结构的尺寸为
0.06-5微米。
[0059] 粘结材料分散液制备：将1g颜料(K3840SQ)、6.0g有机硅树脂(OS-903AB)加入18.0g丙酮和5.0g二甲苯混合溶液中，机械搅拌30分钟即得粘结材料分散液；
[0060] 应用工艺：将以上纳米材料分散液和粘结材料分散液混合，40℃机械搅拌10分钟后混合均匀。将得到的混合溶液浸涂在干净的纸上，在100℃的烘箱中烘干2.0小时，最终在纸表面获得超疏水涂层。
[0061] 测试结果：涂层表面的静态接触角为159°，滚动角为2°；经摩擦实验(负载10N/100mm2，摩擦1000次，转速100r/min)后，其静态接触角为152°，滚动角为4°。
[0062] 实施例7
[0063] 纳米材料分散液制备：将1g纳米高岭土(Polarite 403A)和1.0g十二烷基三甲氧基硅烷加入18g甲醇溶液中，超声分散20分钟，即得纳米材料分散液；微纳米双重粗糙结构的尺寸为0.07-4微米。
[0064] 粘结材料分散液制备：将7.0g有机硅树脂(OS-903AB)加入18.0g丙酮和5.0g二甲苯混合溶液中，机械搅拌30分钟即得粘结材料分散液；
[0065] 应用工艺：将以上纳米材料分散液和粘结材料分散液混合，40℃机械搅拌10分钟后混合均匀。将得到的混合溶液浸涂在干净的塑料板上，在100℃的烘箱中烘干2.0小时，最终在塑料板表面获得超疏水涂层。
[0066] 测试结果：涂层表面的静态接触角为171°，滚动角为3°；经摩擦实验(负载10N/100mm2，摩擦1000次，转速100r/min)后，其静态接触角为162°，滚动角为5°。
[0067] 上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
