一种基于水性乳液的超疏水涂料及其制备方法和应用技术

一种基于水性乳液的超疏水涂料，由水性乳液、无机纳米粒子、含氟硅烷偶联剂和乙醇组成，各组分的质量百分比为：水性乳液5‑50％、无机纳米粒子1‑20％、含氟硅烷偶联剂0.1‑2％、乙醇为余量；将该涂料喷涂在玻璃、金属、纸张基底上，50℃下干燥，即可得到超疏水涂层；所述涂层的静态水接触角大于150度，滚动角小于10度。本发明专利技术的优点是：1)本发明专利技术以水性乳液为主要原料，所用的稀释分散剂为乙醇，避免了VOC溶剂的使用，使得所述超疏水涂料具有环境友好性；2)通过水性乳液、无机纳米粒子与含氟硅烷偶联剂的简单复合制备超疏水涂料，步骤简单，易于控制，利于大规模的工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及涂料的制备领域，更具体的说是涉及一种基于水性乳液的超疏水涂料及其制备方法和应用。
技术介绍
由于严重的环境问题和资源问题，传统的使用大量有机溶剂的涂料已经逐渐被水性涂料所取代。经过近几十年的发展和不断的改善，水性乳液已经具有优异的性能，且在木器家具、汽车工业、建筑行业等都有广泛的应用，而各种商品化的水性乳液涂料也层出不穷。另一方面，随着涂料工业不断发展和科技的不断进步，涂料的功能化也逐渐成为涂料工业发展的一个重要方向。由于在自清洁、抗凝冰、抗生物污染和防腐蚀等方面的巨大应用前景，超疏水涂层，即静态水接触角大于150度和滚动角小于10度的涂层，得到了科研人员的广泛关注。超疏水涂层制备技术近年来得到快速发展，目前已经有溶胶-凝胶法、层与层自组装法、化学/电化学刻蚀法、相分离法、模版法和聚合物/无机材料复合法等多种不同方法出现。而制备超疏水涂层的关键主要在于构造一个微/纳结构的粗糙表面，且该表面具有较低的表面自由能。然而在目前的方法中，或多或少存在着制备条件复杂、制备成本昂贵、难以大规模生产等问题。聚合物/无机材料复合法由于具有可以大规模生产和涂覆、原料廉价等优点，逐渐获得广泛关注。在已知报道的研究中，大多数以聚合物/无机纳米粒子复合制备超疏水涂层的方法都是将聚合物溶解、无机粒子分散于有机溶剂中(通常为VOC溶剂)，专利CN101962514A将低表面能聚合物、具有光催化活性的纳米粒子和交联剂溶解分散于有机溶剂中，室温干燥固化得到超疏水涂层，通过交联剂将低表面能聚合物与无机纳米粒子结合成为自清洁的超疏水涂层。而,Parkin等人则是先在基材上涂覆一层聚合物粘结剂，再涂覆一层含氟偶联剂处理的二氧化钛乙醇分散液，从而得到既可超疏水又可超疏油的涂层(Science,2015,347,1132-1135)。专利CN1786086A报道了将无机超细纤维材料与含氟乳液多次涂覆、固化，并高温烧结，最终得到具有超疏水和一定疏油性的超疏水涂层。专利CN104017440A则是制备以含氟聚合物乳液为主的与其他聚合物乳液的混合液，并与适量有机稀释剂稀释的有机微-纳米粒子复合，涂布及高温固化后得到性能良好的超疏水涂层。这些专利以及研究成果的报道虽然都可以制备出超疏水涂层，然而在实际使用中仍然存在很多问题，比如：VOC的大量使用带来的资源环境问题、多步法制备步骤不利于实际应用、复杂制备过程导致涂料可控性差，大量含氟乳液使用带来的成本问题等。因此寻找无VOC的、可以简单制备的超疏水涂料仍具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对上述存在问题，提供一种基于水性乳液的超疏水涂料及其制备方法和应用，该制备方法减少了VOC溶剂对资源环境的影响，同时通过简单的一步复合，解决多步骤合成不利于实际生产应用的问题，从而得到一种环境友好、成本低廉、制备简单的超疏水涂料，在耐沾污、防腐蚀等方面具有广泛的应用前景。本专利技术的技术方案一种基于水性乳液的超疏水涂料，由水性乳液、无机纳米粒子、含氟硅烷偶联剂和乙醇组成，各组分的质量百分比为：水性乳液5-50％、无机纳米粒子1-20％、含氟硅烷偶联剂0.1-2％、乙醇为余量。所述水性乳液为丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、聚醋酸乙烯丙烯酸酯(醋丙)乳液、聚氨酯分散液、乙烯丙烯酸酯乳液和乙烯醋酸乙烯酯乳液中的一种及两种以上任意比例的混合液，水性乳液中固形物的质量含量为30-60％。所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、纳米氧化铝和碳纳米管中的一种或两种以上任意比例的混合物；无机纳米粒子粒径为1-500纳米。所述含氟硅烷偶联剂为十七氟烷基三甲氧基硅烷、十七氟烷基三乙氧基硅烷、十三氟烷基三甲氧基硅烷、十三氟烷基三乙氧基硅烷、十二氟烷基三甲氧基硅烷、十二氟烷基三乙氧基硅烷、六氟烷基三甲氧基硅烷和六氟烷基三乙氧基硅烷中的一种或两种以上任意比例的混合物。一种所述基于水性乳液的超疏水涂料的制备方法，步骤如下：1)将水性乳液用乙醇稀释，水性乳液与乙醇体积比为1：1-5，得到乙醇稀释的水性乳液；2)将无机纳米粒子均匀分散在乙醇中，在搅拌条件下依次加入上述乙醇稀释的水性乳液和含氟硅烷偶联剂，继续搅拌0.5-2h，制得超疏水涂料。一种所述基于水性乳液的超疏水涂料的应用，将该涂料喷涂在玻璃、金属、纸张基底上，50℃下干燥，即可得到超疏水涂层；所述涂层的静态水接触角大于150度，滚动角小于10度。本专利技术的优点是：1)本专利技术以水性乳液为主要原料，所用的稀释分散剂为乙醇，避免了VOC溶剂的使用，使得所述超疏水涂料具有环境友好性；2)通过水性乳液、无机纳米粒子与含氟硅烷偶联剂的简单复合制备超疏水涂料，步骤简单，易于控制，利于大规模的工业化生产。附图说明图1为实施例1制备的超疏水涂层的静态水接触角测量图。图2为实施例1制备的超疏水涂层的表面5微米-SEM图。图3为实施例1制备的超疏水涂层的表面500纳米-SEM图。图4为实施例1制备的超疏水涂层的表面原子力显微镜图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行进一步阐释，但本专利技术的技术方案不局限于以下的具体实施方式。实施例1：将固含量为38％的水性硅丙乳液用乙醇稀释至固含量为10％。将3g纳米二氧化硅粒子粒径分别为14纳米和50纳米的混合物(质量比为3：1)加入5mL乙醇中，超声15min得到均一的分散液。在搅拌条件下加入20mL乙醇稀释的硅丙乳液和0.3g十三氟烷基三乙氧基硅烷，继续搅拌2h后即得到所述的超疏水涂料。制备超疏水涂层采用喷涂的方式，将所得超疏水涂料喷涂至玻璃片上，50℃下干燥24h即可得到超疏水涂层。涂层水接触角155度，滚动角7.5度。图1为制备的超疏水涂层的静态水接触角测量图。图2为制备的超疏水涂层的表面5微米-SEM图，图中表明：涂层表面形成了微米尺度的粗糙结构。图3为制备的超疏水涂层的表面500纳米-SEM图，图中表明：涂层表面形成了纳米尺度的粗糙结构。图4为制备的超疏水涂层的表面原子力显微镜图，图中表明：更直观的显示了在涂层表面，纳米粒子构造出了一个微/纳结构的粗糙表面。实施例2：将固含量为40％的水性苯丙乳液用乙醇稀释至固含量为10％。将3g纳米二氧化硅粒子(粒径14纳米)加入30mL乙醇中，超声15min得到均一的分散液。在搅拌条件下加入20mL乙醇稀释的苯丙乳液和0.6g十三氟烷基三甲氧基硅烷，继续搅拌2h后即得到所述的超疏水涂料。制备超疏水涂层采用喷涂的方式，将所得超疏水涂料喷涂至玻璃片上，50℃下干燥24h即可得到超疏水涂层。涂层水接触角154度，滚动角6度。该实施例制备的超疏水涂层的静态水接触角测量图、SEM图、表面原子力显微镜图与实施例1类同。实施例3：将固含量为44％的水性丙烯酸酯乳液用乙醇稀释至固含量为10％。将3g纳米二氧化硅粒子(粒径50纳米)加入10mL乙醇中，超声15min得到均一的分散液。在搅拌条件下加入20mL乙醇稀释的丙烯酸酯乳液和0.3g十七氟烷基三甲氧基硅烷，继续搅拌2h后即得到所述的超疏水涂料。制备超疏水涂层采用旋涂的方式，将所得超疏水涂料喷涂至玻璃片上，50℃下干燥24h即可得到超疏水涂层。涂层水接触角152度，滚动角9度。该实施例制备的超疏水涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水性乳液的超疏水涂料，其特征在于由水性乳液、无机纳米粒子、含氟硅烷偶联剂和乙醇组成，各组分的质量百分比为：水性乳液5‑50％、无机纳米粒子1‑20％、含氟硅烷偶联剂0.1‑2％、乙醇为余量。

【技术特征摘要】
1.一种基于水性乳液的超疏水涂料，其特征在于由水性乳液、无机纳米粒子、含氟硅烷偶联剂和乙醇组成，各组分的质量百分比为：水性乳液5-50％、无机纳米粒子1-20％、含氟硅烷偶联剂0.1-2％、乙醇为余量。2.根据权利要求1所述基于水性乳液的超疏水涂料，其特征在于：所述水性乳液为丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、聚醋酸乙烯丙烯酸酯(醋丙)乳液、聚氨酯分散液、乙烯丙烯酸酯乳液和乙烯醋酸乙烯酯乳液中的一种及两种以上任意比例的混合液，水性乳液中固形物的质量含量为30-60％。3.根据权利要求1所述基于水性乳液的超疏水涂料，其特征在于：所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、纳米氧化铝和碳纳米管中的一种或两种以上任意比例的混合物；无机纳米粒子粒径为1-500纳米。4.根据权利要求1所述基于水性乳液的超疏水...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭天瑛，杨吉祥，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12