一种具有机械稳定性的多功能超疏水涂层的制备方法

技术领域

本发明属于多功能应用涂料领域，具体涉及一种具有机械稳定性的多功能超疏水涂层的制备方法。制备的超疏水涂层的方法简便，成本较低，而且制备的超疏水涂层具有抑菌、光催化、耐酸碱腐蚀和较好的机械稳定性能。

背景技术

超疏水性涂料具有独特抗润湿性能，这种独特的抗润湿特性使超疏水涂料具有防结冰、防腐蚀、减小阻力、油水分离、抗菌和自清洁等方面的功能，使得超疏水涂料广泛的应用于各种各样的领域。防结冰的性能可应用于除冰的领域以减少冬天光伏电池和电力线出现结冰现象。防腐蚀和减阻性能可用于海洋应用、飞机和管道等。此外，超疏水性筛网可用作油水分离器，在石油工业和处理油水污染问题中非常实用。沉积在太阳能电池表面上的灰尘颗粒会降低太阳能电池盖玻璃的透明度，这导致光伏电池的效率降低，为了解决该问题，具有自清洁性能的超疏水表面可以去除玻璃表面上的污染物。因为超疏水表面独特的抗润湿性能可以使其表面长时间保持干燥从而起到抑制细菌繁殖的功能，从而起到抑菌的作用。

尽管超疏水涂料在界面化学、物理学、材料科学、界面结构设计以及其他相关学科研究的基础研究中极为重要，而且在日常生活、建筑施工、通信和电力系统、军事装备、航空和导航以及其他领域中具有极其广阔的应用前景。但是超疏水材料在高温、机械损伤、化学腐蚀、强紫外线照射等恶劣环境条件下超疏水材料的抗润湿性能可能会降低甚至是消失，降低超疏水材料的寿命。制造具有优异机械稳定性能和耐用性的超疏水材料，延长超疏水材料的使用寿命是制造超疏水材料的关键。制造这种超疏水材料我们可以从超疏水被破坏的原理入手来增加超疏水材料的寿命，可以往超疏水材料中加入耐磨性的材料构建出具有耐久性的结构，提高超疏水材料的抗形变能力、耐磨性能和耐机械损伤的能力。也可设计具有自我修复力超疏水材料，在材料受到机械损伤之后可以通过材料本身的自我调节能力实现超疏水能力的再生，从而是超疏水材料可以走出实验室更广泛的应用于社会生活与建设中。

发明内容

本发明的目的在于解决暴露在空气中的表面容易受到污损的物体，在受到污损、生长霉菌之后，失去其原有功能造成经济损失的问题。提供一种具有机械稳定性的多功能超疏水涂层的制备方法，先对氧化锌粒子用十三氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液进行改性并与聚二甲基硅氧烷、正己烷混合均匀，通过喷涂的方式制备具有机械稳定性的多功能超疏水防污涂层，氧化锌粒子均匀分散在涂层中，形成较多的微米/纳米结构，从而增加了涂层的疏水性。并且氧化锌粒子的存在大大提高了涂层机械稳定性和防污的能力，同时氧化锌粒子也是较好的光催化剂能够降解有机污染物将有机污染物无害化处理，而且氧化锌本身也是一种良好的抑菌剂可以抑制表面的霉菌滋生保持涂层的清洁减少霉菌滋生造成的人身体造成的损害。

一种具有机械稳定性的多功能超疏水涂层的制备方法是按以下步骤进行：

1、将硝酸锌与氢氧化钾按照1：12-14的摩尔比分别称取适量，然后分别溶于50-80ml去离子水中，在剧烈的磁力搅拌下将硝酸锌溶液缓慢滴加到氢氧化钾溶液中，并继续在磁力搅拌器下继续搅拌半个小时。随后将获得溶液转移到高压釜中，在较为温和的条件下（80-100℃）反应5个小时。然后将所得的白色固体氧化锌经过两次去离子水与两次无水乙醇的离心，最终得到的氧化锌在60-80℃的烘箱中干燥过夜；

2、通过上述水热法所制备的氧化锌粒子是亲水性的，所以需要对其进行改性成为疏水性的氧化锌粒子，方法如下：称取2-5g通过上述水热法所制备的氧化锌放入烧杯中，并在烧杯中加入50-100ml无水乙醇，然后加入0.5-1ml的十三氟辛基三乙氧基硅烷。将装有混合溶液的烧杯在磁力搅拌器上搅拌4-6个小时，然后将经过十三氟辛基三乙氧基硅烷改性的氧化锌置于60-80℃烘箱中干燥过夜，即可得到具有较好疏水性能的改性ZnO粒子；

3、将氧化锌与PDMS按照一定的质量比1：1-3首先称取PDMS（含固化剂）在磁力搅拌下溶解在50-80ml正己烷中，然后再加入等质量通过上述方法改性的疏水性氧化锌粒子，并继续搅拌1-2个小时形成均匀的混合悬浊液。利用喷枪将制备的混合悬浊液均匀的喷涂在需要制造超疏水表面的基材上。最后再将喷涂好的基材置于烘箱中100-120℃固化1-3个小时，以形成具有机械稳定性的多功能ZnO/PDMS超疏水涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用的氧化锌粒子制备方法简单，而且具有类似簇状的形貌，并且氧化锌本身就是较好光催化剂和抑菌剂，对环境没有污染；

2、本发明使用表面经过十三氟辛基三乙氧基硅烷改性的氧化锌粒子，表面经过改性后氧化锌粒子在涂料中具有的分散性较好，能够形成更多的微米/纳米结构，提高涂层的疏水性能，而且有助于提高其机械稳定性和抑菌能力及光催化效率；

3、本发明使用喷枪喷涂将超疏水材料涂附在各种基材表面，而且制备不受场地的制约，可以很好掌握用量问题；

4、本发明提供的一种具有机械稳定性的多功能超疏水涂层的制备方法，能够有效的抵抗外力的作用保持较好的机械稳定性，同时依靠氧化锌本身的光催化能力降解有毒有害有机污染物和较好的抑菌性能在表面形成一层抑菌膜，阻碍霉菌的生成减少因霉菌滋生造成的损害。

附图说明

图1为本发明制备的氧化锌粒子的SEM图；

图2为本发明涂附在载玻片、滤纸和脱脂棉上的接触角图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种具有机械稳定性的多功能超疏水涂层的制备方法是按以下步骤进行：

1、将硝酸锌和氢氧化钾溶解于去离子水中，将硝酸锌溶液缓慢滴加到氢氧化钾溶液中，磁力搅拌30-60min，然后将溶液转移到特氟龙反应釜中80-100℃反应四个小时，将所得的白色粉末离心并烘干；

2、将2-5g步骤一中的粉末加入到无水乙醇和十三氟辛基三乙氧基硅烷的混合液中，磁力搅拌四个小时，最后将改性过后的氧化锌粒子烘干备用；

3、将聚二甲基硅氧烷、正己烷按一定比例加入到烧杯中充分搅拌，再将改性后的氧化锌加入混合液中超声分散30-50分钟，最后用喷枪喷涂即可得到超疏水涂层。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中无水乙醇和十三氟辛基三乙氧基硅烷的混合液的比例由100：1-2改成150：1-2。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中，氧化锌与聚二甲基硅氧烷的比例由原来的1：1-3改成2：1-3，其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中，氧化锌与聚二甲基硅氧烷的比例由原来的1：1-3改为1：2-4，其他与具体实施方式一至三之一相同。

通过以下实施例验证本发明的效果：

验证具有机械稳定性的多功能超疏水涂层机械稳定性、油水分离的方法：

1、研究ZnO/PDMS多功能超疏水涂层的机械稳定性，使用双面胶将砂纸固定在水平稳定的平面上，将涂有超疏水涂层一面的基材放置在砂纸表面，为了使超疏水表面与砂纸充分接触，在基材的表面放置200g的砝码，然后沿水平方向匀速推动基材当推动10cm之后将基材反方向再次水平匀速推回起始位置，称为一个周期磨损距离为20cm。重复多个周期研究砂纸磨损对超疏水表面的影响，发现经过多次实验之后超疏水涂层的接触角仍可达150°以上；

2、研究ZnO/PDMS多功能超疏水涂层的油水分离性能，用镊子将喷涂了ZnO/PDMS超疏水涂料的脱脂棉放入油水混合的烧杯中，漂浮在水面上的食用油很快被脱脂棉吸附，最后只需轻轻用镊子将吸附过后的脱脂棉取出即可。经过吸附之后水面几乎不再含有食用油的残余，这表明制备的ZnO/PDMS超疏水脱脂棉具有较好的吸油特性，为之后的油水分离解决油污染提供了可行性方案。