一種超疏水耐磨表面及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及超疏水材料領(lǐng)域，具體是一種超疏水耐磨表面及其制備方法。該制備方法是有機疏水物質(zhì)溶于溶劑后加入納米介孔材料，分散均勻后涂于基材表面，通過烘干的方式去除溶劑后再加熱使得交聯(lián)固化，冷卻后得到超疏水耐磨表面。本方法工藝簡單、操作方便、重復(fù)性好、無需復(fù)雜的化學(xué)處理，所得表面疏水性好（與水的接觸角大于150°）、能大面積使用，在表面防水、自清潔等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種超疏水耐磨表面及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及超疏水材料領(lǐng)域，具體是一種超疏水耐磨表面及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從Barthlott首次報道荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)以來，材料研究者對超疏水表面的研究產(chǎn)生了極大興趣。超疏水表面是指對水的靜態(tài)接觸角在150°以上、滾動角在10°以下的表面。研究表明:通過在材料表面構(gòu)筑微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的二元復(fù)合結(jié)構(gòu)，可使材料表面潤濕性能發(fā)生顯著改觀。目前，雖然超疏水材料在防水、自清潔、防腐蝕、抗粘附和減阻降噪音等方面呈現(xiàn)出了優(yōu)異的性能以及巨大的應(yīng)用價值，但超疏水材料并沒有真正取得廣泛的實際應(yīng)用，其主要原因是因為為人工制備的超疏水表面不同于自然界中的超疏水表面。大多數(shù)人工制備的超疏水表面均采用在親水的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)上涂覆疏水性薄膜以產(chǎn)生超疏水性能的方法。這種超疏水表面的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)很容易在表面受到機械摩擦?xí)r被破壞，使材料內(nèi)部的親水性結(jié)構(gòu)暴露出來，從而使得表面部分或者全部喪失超疏水性。因此，制備一種具有優(yōu)異耐磨性的超疏水表面十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有大多數(shù)人工制備的超疏水表面耐磨性差的問題，提供了一種基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面的制備方法。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種超疏水耐磨表面，其原料是由納米介孔材料和有機疏水物質(zhì)構(gòu)成的，納米介孔粒子賦予超疏水表面所需要的微納米兩級結(jié)構(gòu)，使表面具有超疏水性;利用納米介孔粒子本身的剛性以及有機疏水物質(zhì)穿插在介孔中形成的有機無機互穿網(wǎng)絡(luò)，有機疏水物質(zhì)與納米介孔粒子間具備更多的物理連接，使得超疏水表面具有耐磨性。
[0005]本發(fā)明在具有低表面能的有機疏水物質(zhì)中填充納米尺度的介孔粒子，賦予超疏水表面所需要的微納兩級結(jié)構(gòu)，使表面具有超疏水性，同時，利用介孔粒子本身的剛性以及有機疏水物質(zhì)穿插在介孔中形成的有機無機互穿網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成整體材料以抵抗表面磨損而產(chǎn)生的損耗，制備了基體與介孔粒子間同時存在化學(xué)、物理連接的高耐磨性超疏水表面。由于介孔材料具有自相似性，即使其被磨損后，依然具有超疏水的表面。
[0006]另外，本發(fā)明基于上述超疏水耐磨表面的機理，提供了其制備方法，該制備方法是有機疏水物質(zhì)溶于溶劑后加入納米介孔材料，分散均勻后涂于基材表面，通過烘干的方式去除溶劑后再加熱使得交聯(lián)固化，冷卻后得到超疏水耐磨表面。
[0007]此外，本方法工藝簡單、操作方便、重復(fù)性好、無需復(fù)雜的化學(xué)處理，所得表面疏水性好(與水的接觸角大于150°)、能大面積使用，在表面防水、自清潔等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0008]具體實施時，所述有機疏水物質(zhì)為雙酚A苯并噁嗪、雙酚AF苯并噁嗪、MDA型苯并噁嗪、環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂低表面能有機物中的一種。[0009 ]進(jìn)一步，所述納米介孔材料是有機疏水物質(zhì)質(zhì)量的5%_100% ο本發(fā)明所述超疏水表面由納米尺度的介孔材料和具有低表面能的有機疏水物質(zhì)組成，兩者的質(zhì)量比為5-100:100。具體應(yīng)用時當(dāng)有機疏水物質(zhì)為100質(zhì)量份時，納米尺度的介孔材料含量小于5質(zhì)量份，會使表面達(dá)不到超疏水狀態(tài)(水的接觸角小于150°);納米尺度的介孔材料含量大于100質(zhì)量份時，表面雖然會達(dá)到超疏水狀態(tài)，但是耐磨性能會急劇下降(手指輕微壓捏會使表面形貌破損)。
[0010]根據(jù)材料特性，優(yōu)選的，所述烘干的條件為100°c-140°c保持1-2小時，交聯(lián)固化的條件為160 0C -240 0C保持1-3小時。
[00?1 ] 進(jìn)一步，所述納米介孔材料為納米介孔Si02、納米介孔T ?02、納米介孔Μηθ2中的一種或多種以任意比例混合的混合物。
[0012]優(yōu)選的，所用的溶劑為四氫呋喃、甲苯、丙酮、氯仿中的一種。
[0013]優(yōu)選的，所述基材為玻璃板、載玻片、娃片中的一種。
【附圖說明】
[0014]圖1是實施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦前的掃描電鏡(SEM)圖。
[0015]圖2是實施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦后的掃描電鏡(SEM)圖。與圖1對比，可以看出摩擦后，表面形貌雖然變的平整，但依然具有微納兩級結(jié)構(gòu)，表面依然具有超疏水性。
[0016]圖3是實施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦前的靜態(tài)水接觸角圖。
[0017]圖4是實施例2苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水表面摩擦后的靜態(tài)水接觸角圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于以下實施例。
[0019]實施例1
將100質(zhì)量份雙酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氫呋喃中，加入5質(zhì)量份的SBA-15，充分?jǐn)嚢?、超聲，得到均勻的分散?采用噴涂的方法使分散液均勻的噴涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，100°C保持2小時去除溶劑，200°C交聯(lián)固化2小時，冷卻后得到一種基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為153.6°;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為158.5°。
[0020]實施例2
將100質(zhì)量份雙酸A苯并噁嗪溶解于一定量的四氫呋喃中，加入25質(zhì)量份的SBA-16，充分?jǐn)嚢琛⒊?，得到均勻的分散?采用噴涂的方法使分散液均勻的噴涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，IlOtC保持2小時去除溶劑，220°C交聯(lián)固化1.5小時，冷卻后得到一種基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為170.7°;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為168.0°。
[0021]實施例3
將100質(zhì)量份雙酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氫呋喃中，加入100質(zhì)量份的SBA-15，充分?jǐn)嚢琛⒊?，得到均勻的分散?采用噴涂的方法使分散液均勻的噴涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，120°C保持1.5小時去除溶劑，240°C交聯(lián)固化I小時，冷卻后得到一種基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為165.3°;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為165.6°。
[0022]實施例4
將100質(zhì)量份雙酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氫呋喃中，加入25質(zhì)量份的納米介孔T12，充分?jǐn)嚢琛⒊?，得到均勻的分散?采用旋涂的方法，在1500rpm條件下使分散液旋涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，130°C保持1.5小時去除溶劑，160°C交聯(lián)固化3小時，冷卻后得到一種基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為168.9° ;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為168.3°。
[0023]實施例5
將100質(zhì)量份雙酚AF苯并噁嗪溶解于一定量的甲苯中，加入50質(zhì)量份的納米介孔MnO2，充分?jǐn)嚢琛⒊?，得到均勻的分散?采用旋涂的方法，在1500rpm條件下使分散液旋涂于硅片上，將材料放入烘箱中，140°C保持I小時去除溶劑，180°C交聯(lián)固化2.5小時，冷卻后得到一種基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為170.9°;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為167.3°。
[0024]實施例6
將100質(zhì)量份雙酸A苯并噁嗪溶解于一定量的丙酮中，加入75質(zhì)量份的MCM-41與納米介孔T12的混合物(質(zhì)量比1: 2)，充分?jǐn)嚢?、超聲，得到均勻的分散液；采用旋涂的方法，?500rpm條件下使分散液旋涂于載玻片上，將材料放入烘箱中，140 °C保持I小時去除溶劑，180°C交聯(lián)固化2.5小時，冷卻后得到一種基于苯并噁嗪/介孔材料的耐磨超疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為171.5° ;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為165.4°。
[0025]實施例7
將100質(zhì)量份雙酚A苯并噁嗪溶解于一定量的四氫呋喃中，加入3質(zhì)量份的MCM-41，充分?jǐn)嚢琛⒊?，得到均勻的分散?采用噴涂的方法使分散液均勻的噴涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，100°C保持2小時去除溶劑，200°C交聯(lián)固化2小時，冷卻后得到一種疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為139.0° ;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為121.7°。
[0026]實施例8
將100質(zhì)量份雙酸AF苯并噁嗪溶解于一定量的四氫呋喃中，加入120質(zhì)量份的MCM-41，充分?jǐn)嚢?、超聲，得到均勻的分散?采用噴涂的方法使分散液均勻的噴涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，100°C保持2小時去除溶劑，200°C交聯(lián)固化2小時，冷卻后得到一種超疏水涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為171.1°;手指輕捏后，表面大量粒子脫落。將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為152.3°。
[0027]實施例9
將100質(zhì)量份環(huán)氧樹脂溶解于一定量的丙酮中，加入25質(zhì)量份的納米介孔T12,充分?jǐn)嚢?、超聲，得到均勻的分散?采用旋涂的方法，在1500rpm條件下使分散液旋涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，100 °C保持I小時去除溶劑，200°C交聯(lián)固化3小時，冷卻后得到一種基于環(huán)氧樹脂/介孔材料的超疏水耐磨涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為151.2° ;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為150.3°。
[0028]實施例10
將100質(zhì)量份雙馬來酰亞胺溶解于一定量的氯仿中，加入50質(zhì)量份的納米介孔MCM-41，充分?jǐn)嚢?、超聲，得到均勻的分散?采用旋涂的方法，在1500rpm條件下使分散液旋涂于玻璃上，將材料放入烘箱中，140 °C保持2小時去除溶劑，240 0C交聯(lián)固化2小時，冷卻后得到一種基于雙馬來酰亞胺/介孔材料的超疏水耐磨涂層。測試涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為166.7° ;將涂層表面放到100目的砂紙上，在10g砝碼的壓力下水平勻速移動25cm，測試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為165.1°。
【主權(quán)項】
1.一種超疏水耐磨表面，其特征在于，其原料是由納米介孔材料和有機疏水物質(zhì)構(gòu)成的，納米介孔粒子賦予超疏水表面所需要的微納米兩級結(jié)構(gòu)，使表面具有超疏水性;利用納米介孔粒子本身的剛性以及有機疏水物質(zhì)穿插在介孔中形成的有機無機互穿網(wǎng)絡(luò)，有機疏水物質(zhì)與納米介孔粒子間具備更多的物理連接，使得超疏水表面具有耐磨性。2.—種超疏水耐磨表面的制備方法，其特征在于，采用的是權(quán)利要求1所述的原料，該制備方法是有機疏水物質(zhì)溶于溶劑后加入納米介孔材料，分散均勻后涂于基材表面，通過烘干的方式去除溶劑后再加熱使得交聯(lián)固化，冷卻后得到超疏水耐磨表面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超疏水耐磨表面的制備方法，其特征在于，所述有機疏水物質(zhì)為雙酚A苯并噁嗪、雙酚AF苯并噁嗪、MDA型苯并噁嗪、環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂低表面能有機物中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超疏水耐磨表面的制備方法，其特征在于，所述納米介孔材料是有機疏水物質(zhì)質(zhì)量的5%-100%。5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的超疏水耐磨表面的制備方法，其特征在于，所述烘干的條件為100°C_140°C保持1-2小時，交聯(lián)固化的條件為160°C_240°C保持1-3小時。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超疏水耐磨表面的制備方法，其特征在于，所述納米介孔材料為納米介孔Si02、納米介孔Ti02、納米介孔Μηθ2中的一種或多種以任意比例混合的混合物。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超疏水耐磨表面的制備方法，其特征在于，所用的溶劑為四氫呋喃、甲苯、丙酮、氯仿中的一種。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超疏水耐磨表面的制備方法，其特征在于，所述基材為玻璃板、載玻片、娃片中的一種。
【文檔編號】C09D7/12GK106085113SQ201610470911
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】王智, 朱慧斌, 趙貴哲, 曹妮, 賀靖, 劉亞青
【申請人】中北大學(xué)