一种有机硅超疏水涂料及基于其的超疏水涂层与应用

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种有机硅超疏水涂料及基于其的超疏水涂层与应用。

背景技术

超疏水表面是指与水接触角大于150°，滚动角低于10°的表面。超疏水表面特殊的表面润湿性使其在电子信息、生物医药、航空航天、新材料等各种领域得到广泛应用，前景广阔，但其在工业生产和实际生活应用中仍受到诸多限制。主要原因之一是涂层的耐久性普遍较差，超疏水表面的微纳结构容易在使用中受到磨损而被破坏；其二，制备工艺复杂、制备周期长，很多方法在构筑表面微观结构时采用了较为复杂的工艺，耗时耗力，增加了成本投入；其三，进行低表面能处理时大多采用全氟硅烷等有机氟化物，使用溶剂常为有毒有害的有机试剂，安全环保等问题使得成品使用范围受到极大限制，而废液处理费时费力费钱，不宜大规模工业生产。

有机硅具有低表面能和高热稳定性，不仅作为阻燃剂被用于聚合物的防火隔热，还被广泛用于制备超疏水涂料，比含氟材料更环保、更经济，受到大众的青睐。因此，研发一种简便易行、安全环保的方法来制备性能优异的超疏水涂层显得尤为重要。

发明内容

为了克服上述现有技术超疏水涂层的耐久性差、制备方法不安全环保的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种有机硅超疏水涂料。

本发明另一目的在于提供一种基于上述有机硅超疏水涂料的超疏水涂层。

本发明另一目的在于提供一种上述超疏水涂层的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述有机硅超疏水涂料的应用。将本发明的有机硅超疏水涂料应用于表面疏水改性中，特别是织物表面改性中，所得超疏水涂层具有良好的疏水性能，且持久耐用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种有机硅超疏水涂料，包括以下质量份数的原料：正硅酸四乙酯2.0-5.0份，端羟基封闭剂2.0-6.0份，二氧化硅粒子0.05-0.5份，催化剂适量。

所述的端羟基封闭剂包括并不限于端羟基聚二甲基硅氧烷、端羟基聚丁二烯聚氨酯、双端羟基聚醚等端基封闭剂中的至少一种。

所述的二氧化硅粒子包括但不限于SiO

进一步的，所述的二氧化硅粒子的粒径优选为50-100nm，分散性良好。

所述的催化剂为脱水缩合反应的常用催化剂即可，如碱，包括并不限于氨水、氢氧化钠、碳酸氢钠和碳酸钠等中的至少一种。

本发明的有机硅超疏水涂料组分中，还含有溶剂；所述的溶剂包括并不限于甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂中的至少一种。所述溶剂的用量根据实际使用进行调整即可。

本发明的有机硅超疏水涂料可应用于表面疏水改性中，特别是织物表面改性中；通过浸泡或喷涂等涂覆方式，本发明的有机硅超疏水涂料可在基材表面形成超疏水涂层，具有优异的耐腐蚀性、耐久性和超疏水性。

本发明还提供一种基于上述有机硅超疏水涂料的超疏水涂层。

本发明还提供一种上述超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将二氧化硅粒子分散于溶剂中，得到二氧化硅分散液A；将正硅酸四乙酯、端羟基封闭剂、催化剂加入溶剂中，搅拌均匀得到溶液B；

(2)将基材先浸泡于步骤(1)的二氧化硅分散液A中，取出；再将溶液B涂覆在基材表面进行反应，反应结束，得到超疏水涂层。

步骤(1)中，二氧化硅分散液A中二氧化硅粒子的浓度优选为0.05-0.5％(m/V)，Kg/L。

所述基材可为玻璃材料、金属材料、陶瓷材料、木材、高分子材料、人造高分子织物和天然高分子织物等。

所述溶液B中，正硅酸四乙酯的浓度优选为2.0-5.0％(m/V)，Kg/L。

催化剂的用量以调节溶液B的pH为8.5-9.5为准。

步骤(2)中，在二氧化硅分散液A中的浸泡时间可为30min-4h。

取出后，可先用溶剂冲洗基材，干燥处理后，再用于后续反应。干燥处理可在60-80℃下进行；干燥处理的时间可为3-5h。

所述反应的时间可为30min-4h。

所述反应可在室温下进行，优选在20-30℃下进行。

反应结束后，可用溶剂冲洗，并进行干燥处理。优选在烘箱中60-80℃下干燥处理3-5h。

所述涂覆的方法可包括浸渍、喷涂、淋涂、擦涂等各种适合液体的涂层加工方式。

上述制备方法中，所述的溶剂可相同或不同的可分别为甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂中的至少一种。如可为无水乙醇。

本发明涂料中的组分，SiO

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明通过羟基的缩合反应，将不同尺寸的纳米粒子有效附着在基材上，并构建出具有一定结构刚性的纳米复合结构，降低了表面能，提高了粗糙度，实现了耐久性超疏水功能。

(2)本发明涂料中的溶剂和试剂均绿色环保，使用过程中废液处理简单低耗，克服了传统的疏水涂层制备过程中使用大量有机有毒试剂、制作工艺复杂、成本高昂、疏水性能差等缺点，与现有的多数疏水涂层制备方法相比，具有明显优势和良好的产业化前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1制备的SiO

图2为实施例1制备的SiO

图3为实施例1制备的超疏水聚酯织物的静态对水接触角测试图。

图4为实施例2制备的介孔SiO

图5为实施例2制备的介孔SiO

图6为实施例2制备的超疏水尼龙织物的静态对水接触角测试图。

图7为实施例3制备的超疏水棉织物的静态对水接触角测试图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。下列实施例中涉及的物料若无特殊说明均可从商业渠道获得。所述方法若无特别说明均为常规方法。各组分用量以质量份、体积份及，g、mL。

实施例1

一种有机硅超疏水涂料，包括以下质量份数的原料：正硅酸四乙酯2份，端羟基封闭剂6份，二氧化硅粒子0.05份，氨水适量，无水乙醇适量。

一种基于上述有机硅超疏水涂料的超疏水涂层，由包括以下步骤方法制备得到：

(1)所用的二氧化硅粒子按照常规方法利用Stober法制备得到，以氨水为催化剂、正硅酸四乙酯为原料，制备出SiO

(2)将步骤(1)制备的SiO

(3)将2质量份正硅酸乙酯、6质量份羟基封端聚二甲基硅氧烷和100体积份无水乙醇混合，加入氨水调节pH为9，搅拌均匀后，将步骤(2)中所干燥好的织物浸泡其中，反应2h后，取出用无水乙醇冲洗3次，置于烘箱60℃干燥3h，得到表面为超疏水涂层的织物。

(4)对所获得的聚酯织物接触角测试结果为162°，如图3所示。将制备的超疏水织物浸泡在pH为9的氨水溶液中12h，无水乙醇冲洗3次，干燥后接触角测试结果为161°，织物在碱性腐蚀前后疏水性能没有明显变化。再将制备的超疏水织物放在波轮洗衣机里标准洗涤(15min为一次循环)，洗涤100次后，接触角测试结果为143°。说明本实施例中制备的超疏水织物具有优异的耐碱腐蚀性和耐久性。

实施例2

一种有机硅超疏水涂料，包括以下质量份数的原料：正硅酸四乙酯3份，端羟基封闭剂3份，二氧化硅粒子0.1份，氢氧化钠溶液适量，无水甲醇适量。

一种基于上述有机硅超疏水涂料的超疏水涂层，由包括以下步骤方法制备得到：

(1)所用的二氧化硅粒子按照常规方法利用模板法制备得到，以十六烷基三甲基对甲基苯磺酸铵盐为模板剂和三乙醇胺溶于去离子水中，80℃下搅拌1h，充分溶解后加入正硅酸四乙酯，继续反应2h，所得的纳米粒子经过离心、洗涤、冷冻干燥、煅烧、研磨后备用，从TEM(图4)和SEM(图5)可知制备得到的介孔SiO

(2)将步骤(1)制备的介孔SiO

(3)将3质量份正硅酸乙酯、3质量份端羟基聚丁二烯聚氨酯和100体积份无水甲醇混合，加入氢氧化钠溶液调节pH为9，搅拌均匀后，将步骤(2)中所干燥好的织物浸泡其中，反应2h后，取出用无水乙醇冲洗3次，置于烘箱60℃干燥3h，得到表面为超疏水涂层的织物。

(4)对所获得的尼龙织物接触角测试结果为164°，如图6所示。将制备的超疏水织物浸泡在pH为5的盐酸溶液中12h，无水乙醇冲洗3次，干燥后接触角测试结果为162°，织物在酸性腐蚀前后疏水性能没有明显变化。再将制备的超疏水织物放在波轮洗衣机里标准洗涤(15min为一次循环)，洗涤100次后，接触角测试结果为146°。说明本实施例中制备的超疏水织物具有优异的耐酸腐蚀性和耐久性。

实施例3

一种有机硅超疏水涂料，包括以下质量份数的原料：正硅酸四乙酯5份，端羟基封闭剂2份，二氧化硅粒子0.5份，碳酸钠溶液适量，无水乙醇适量。

一种基于上述有机硅超疏水涂料的超疏水涂层，由包括以下步骤方法制备得到：

(1)SiO

(2)将步骤(1)制备的SiO

(3)将5质量份正硅酸乙酯、2质量份双端羟基聚醚和100体积份无水乙醇混合，加入碳酸钠溶液调节pH为9，搅拌均匀后，将步骤(2)中所干燥好的织物浸泡其中，反应2h后，取出用无水乙醇冲洗3次，置于烘箱60℃干燥3h，得到表面为超疏水涂层的织物，接触角测试结果为160°，如图7所示；耐腐蚀性和耐久性与上述实施例相近，不一一赘述。

对比例1

(1)SiO

(2)将步骤(1)制备的SiO

由此可见，利用SiO

对比例2

将2质量份正硅酸乙酯、6质量份端羟基封闭剂和100体积份无水乙醇混合，加入氨水调节pH为9，搅拌均匀后，将聚酯织物浸泡其中，反应2h后，取出用无水乙醇冲洗3次，置于烘箱60℃干燥3h，所获得的聚酯织物接触角测试结果为141°。将制备的疏水聚酯织物放在波轮洗衣机里洗涤20次，接触角测试结果为120°。

由此可见，利用正硅酸四乙酯和端羟基封闭剂对织物表面进行改性可获得疏水改性的效果，但不能达到超疏水的效果，并且所得涂层结构不稳定，易受到破坏，疏水性能降低明显，产品使用寿命大大缩短。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。