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(jī)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(jiǎn)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(bào)道荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)以來，材料研究者對(duì)超疏水表面的研究產(chǎn)生了極大興趣。超疏水表面是指對(duì)水的靜態(tài)接觸角在150°以上、滾動(dòng)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(rùn)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(jià)值，但超疏水材料并沒有真正取得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，其主要原因是因?yàn)闉槿斯ぶ苽涞某杷砻娌煌谧匀唤缰械某杷砻?。大多?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(jī)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(shí)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(jī)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(jí)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(jī)疏水物質(zhì)穿插在介孔中形成的有機(jī)無機(jī)互穿網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)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(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)，使表面具有超疏水性，同時(shí)，利用介孔粒子本身的剛性以及有機(jī)疏水物質(zhì)穿插在介孔中形成的有機(jī)無機(jī)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(shí)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(jī)理，提供了其制備方法，該制備方法是有機(jī)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(jiǎn)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(shí)施時(shí)，所述有機(jī)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(jī)物中的一種。[0009 ]進(jìn)一步，所述納米介孔材料是有機(jī)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(jī)疏水物質(zhì)組成，兩者的質(zhì)量比為5-100:100。具體應(yīng)用時(shí)當(dāng)有機(jī)疏水物質(zhì)為100質(zhì)量份時(shí)，納米尺度的介孔材料含量小于5質(zhì)量份，會(huì)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(shí)，表面雖然會(huì)達(dá)到超疏水狀態(tài)，但是耐磨性能會(huì)急劇下降(手指輕微壓捏會(huì)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(shí)，交聯(lián)固化的條件為160 0C -240 0C保持1-3小時(shí)。
[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(shí)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(shí)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(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)，表面依然具有超疏水性。
[0016]圖3是實(shí)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(shí)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(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于以下實(shí)施例。
[0019]實(shí)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(shí)去除溶劑，200°C交聯(lián)固化2小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為158.5°。
[0020]實(shí)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?、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，IlOtC保持2小時(shí)去除溶劑，220°C交聯(lián)固化1.5小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為168.0°。
[0021]實(shí)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?、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，120°C保持1.5小時(shí)去除溶劑，240°C交聯(lián)固化I小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為165.6°。
[0022]實(shí)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(shí)去除溶劑，160°C交聯(lián)固化3小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為168.3°。
[0023]實(shí)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?、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硅片上，將材料放入烘箱中，140°C保持I小時(shí)去除溶劑，180°C交聯(lián)固化2.5小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為167.3°。
[0024]實(shí)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)嚢琛⒊?，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(shí)去除溶劑，180°C交聯(lián)固化2.5小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為165.4°。
[0025]實(shí)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?、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(shí)去除溶劑，200°C交聯(lián)固化2小時(shí)，冷卻后得到一種疏水涂層。測(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為121.7°。
[0026]實(shí)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(shí)去除溶劑，200°C交聯(lián)固化2小時(shí)，冷卻后得到一種超疏水涂層。測(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為152.3°。
[0027]實(shí)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(shí)去除溶劑，200°C交聯(lián)固化3小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)試摩擦后涂層的疏水性，與水的靜接觸角均值為150.3°。
[0028]實(shí)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，140 °C保持2小時(shí)去除溶劑，240 0C交聯(lián)固化2小時(shí)，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(cè)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(dòng)25cm，測(cè)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(xiàng)】
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(jī)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(jí)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(jī)疏水物質(zhì)穿插在介孔中形成的有機(jī)無機(jī)互穿網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)，交聯(lián)固化的條件為160°C_240°C保持1-3小時(shí)。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(hào)】C09D7/12GK106085113SQ201610470911
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】中北大學(xué)