CN106675305A - 一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯‑聚硅氧烷‑白炭黑超疏水涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯‑聚硅氧烷‑白炭黑超疏水涂层及其制备方法。按重量份数计，该涂层由20‑50份丙烯酸酯、20‑40份硅烷偶联剂、5‑10份聚硅氧烷、5‑20份活性稀释剂、5‑20份白炭黑、0.1‑0.3份光固化剂、0.1‑0.7份交联剂、0.01‑0.1份催化剂制备而成。本发明制备超疏水涂层的固化效率高，工艺简单，并且涂膜性能优良，适用于多种表面干净的基材。涂层经等离子体破坏后，只需通过简单的热处理，即可快速恢复其超疏水性能，拥有良好的自修复能力，并且这种自修复过程可以重复多次，有效地延长其使用期限。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料、涂料和材料保护领域，具体涉及一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层及其制备方法。
背景技术
超疏水表面具有优异的防水和自清洁能力，引起了科学技术界的广泛关注。通常称对水接触角大于150°、滚动角小于10°的表面为超疏水表面。人们发现超疏水表面在自洁、抗菌、防腐、防水、抗冰、油水分离等领域具有巨大的应用前景。在自然界中，荷叶拥有最具代表性的超疏水表面，因其表面存在着微纳米双重粗糙乳突结构和疏水性蜡状物，在两者的协同作用下，荷叶表面对水滴展现出高的接触角和低的滚动角。很多科研人员尝试模仿构建类似荷叶的超疏水表面，将表面微纳米粗糙结构和疏水性物质相结合，制造出一系列仿生超疏水材料。但是，这些人工超疏水表面普遍存在机械强度低和耐久性差的缺点，在实际使用过程中，很容易被磨损、被老化和被各种环境因素破坏。虽然已有众多科研工作者致力于制备机械强度更高，耐用性更好的超疏水表面，但是最近的研究表明具备自修复能力的超疏水表面才是从根本上延长其使用寿命的最佳方式。
制备超疏水表面的方法众多，有刻蚀法、电纺丝法、电喷涂法、沉积法、模板法等方法，但是这些方法要么需要使用精密仪器，要么需要高温，而且实验步骤复杂，过程难以控制，消耗时间长，不利于快速制备超疏水表面。紫外光(UV)固化技术是利用紫外光的能量引发低分子预聚体和活性单体分子发生链式聚合及交联反应。相比于传统的固化技术，UV固化技术具有固化速度快，固化品质好，所需成本低，所需空间小以及清洁高效等优势。本发明中，将UV固化应用到超疏水涂层的制备中，既吸收了UV固化技术的优点，又能制备出具有超疏水性能的涂层，并且涂膜性能优良，适用于多种表面干净的基材。
本发明针对目前超疏水涂层普遍存在的机械强度低、不耐用等缺点，所制备的涂层经等离子体破坏后，可以通过简单的热处理，使涂层快速恢复其超疏水性能，拥有良好的多次修复能力，有效地延长其使用期限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。
本发明的另一目的是提供一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将丙烯酸酯、硅烷偶联剂、聚硅氧烷与活性稀释剂搅拌混合均匀后加入白炭黑，然后超声分散，接着在40-60℃下搅拌50-100min，得到混合物a；
(2)将交联剂、催化剂和光固化剂依次加入混合物a中，继续搅拌50-80min，即得涂料混合物b；
(3)将涂料混合物b均匀涂布在基材表面，或将基材浸入涂料混合物b中取出后成膜，然后放入紫外光强度为50-100mW/cm2的固化箱内固化20-60s，并在50-100℃保温缩合2-6h，即得可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。
优选的，按重量份数计，丙烯酸酯20-50份、硅烷偶联剂20-40份、聚硅氧烷5-10份、活性稀释剂5-20份、白炭黑5-20份、交联剂0.1-0.7份、催化剂0.01-0.1份和光固化剂0.1-0.3份。
优选的，步骤(1)所述搅拌的时间为5-30min。
优选的，所述丙烯酸酯为丙烯酸月桂酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和甲基丙烯酸异冰片酯中的一种或两种的混合物；所述硅烷偶联剂为乙烯基三叔丁氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三苯氧基硅烷、三[(1,1-二甲基乙基)二氧]乙烯基硅烷和乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种。
优选的，所述聚硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷、含氢聚二甲基硅氧烷和羟基氟聚二甲基硅氧烷中的一种；所述活性稀释剂为无水乙醇、正己烷、环戊烷、环己烷和正庚烷中的一种或两种的混合物。
优选的，所述白炭黑为气相法白炭黑、沉淀法白炭黑和溶胶凝胶法制备的纳米二氧化硅中的一种以上。
优选的，所述光固化剂为2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮和4-二甲氨基-苯甲酸乙酯中的一种或两种的混合物。
优选的，所述交联剂为乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、甲基三甲氧基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一种；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、辛酸亚锡、二丁基醋酸锡和三丁基氧化锡中的一种。
优选的，所述基材为玻璃、金属、陶瓷、塑料、木材、棉织物或纸张。
由以上所述的制备方法制得的一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明采用UV固化技术制备涂层，具有固化效率高，工艺简单，经济环保等特点，并且涂膜性能优良，适用于多种表面干净的基底。
(2)本发明通过保温缩合后，形成具备一定强度的涂层，该涂层对水的接触角大于150°，滚动角小于10°，展现出良好的超疏水性能。
(3)本发明的涂层经等离子体破坏后，可以通过简单的热处理，使涂层快速恢复其超疏水性能，拥有良好的自修复能力，并且这种自修复过程可以重复多次，有效地延长其使用期限。
附图说明
图1a、图1b分别是本发明实施例1所得超疏水涂层不同放大倍数的扫描电镜照片。
图2是本发明实施例2所得添加不同份数白炭黑超疏水涂层对水接触角曲线图。
图3是本发明实施例2所得添加不同份数白炭黑超疏水涂层热失重分析图。
图4是本发明实施例3所得超疏水金属对水接触角照片。
图5是本发明实施例3所得超疏水金属水滴滚动角照片。
图6是本发明实施例4所得不同温度热处理涂层对水接触角曲线图。
图7是本发明实施例5所得超疏水涂层的接触角自修复循环图。
具体实施方式
为了更好地阐述本发明，以下结合实例及附图进一步对本发明的技术方案做出说明，但本发明的实施和保护范围不限于所表述的实施案例中。
实施例1：
超疏水涂层由如下重量份数的原料组成，见表1：
表1
| 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 | 50 |
| 乙烯基三乙酰氧基硅烷 | 40 |
| 端羟基聚二甲基硅氧烷 | 5 |
| 正己烷 | 5 |
| 白炭黑 | 20 |
| 2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦 | 0.1 |
| 2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮 | 0.2 |
| 乙烯基三丁酮肟基硅烷 | 0.1 |
| 二月桂酸二丁基锡 | 0.1 |
制备方法如下：
(1)将50g三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、40g乙烯基三乙酰氧基硅烷和5g端羟基聚二甲基硅氧烷依次加入5g正己烷中，搅拌15min后加入20g白炭黑，然后超声分散，接着在60℃下搅拌50min，即得有机溶液a。
(2)将0.1g乙烯基三丁酮肟基硅烷、0.1g二月桂酸二丁基锡、0.1g 2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦和0.2g 2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮依次加入步骤(1)中所得有机溶液a中，继续搅拌80min，即得有机溶液b。
(3)将干净的载玻片浸入步骤(2)所得有机溶液b中，涂膜后取出，放入紫外光强度为100mW/cm2的固化箱内固化20s后，把载玻片置于50℃中保温缩合6h，即得聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。所得超疏水涂层的扫描电镜照片如图1a、图1b所示，其中图1a为放大30000倍照片，图1b为放大50000倍照片。
实施例2：
超疏水涂层由如下重量份数的原料组成，见表2：
表2
| 三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯 | 30 |
| 甲基丙烯酸异冰片酯 | 20 |
| 乙烯基三乙氧基硅烷 | 30 |
| 羟基氟聚二甲基硅氧烷 | 5 |
| 正己烷 | 15 |
| 白炭黑 | 5-15 |
| 2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯 | 0.1 |
| 甲基三丁酮肟基硅烷 | 0.3 |
| 辛酸亚锡 | 0.05 |
制备方法如下：
(1)将30g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、20g甲基丙烯酸异冰片酯、30g乙烯基三乙氧基硅烷和5g羟基氟聚二甲基硅氧烷依次加入15g正己烷中，搅拌5min后分别加入5g、8g、10g、13g、15g白炭黑，然后超声分散，接着在40℃下搅拌100min，即得有机溶液a；
(2)将0.3g甲基三丁酮肟基硅烷、0.05g辛酸亚锡和0.1g 2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯依次加入步骤(1)中所得有机溶液a中，继续搅拌50min，即得有机溶液b；
(3)将干净的纸张浸入步骤(2)所得有机溶液b中，涂膜后取出，放入紫外光强度为50mW/cm2的固化箱内固化60s后，把滤纸置于100℃中保温缩合2h，即得聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。所得添加不同份数白炭黑超疏水涂层对水接触角曲线图如图2所示，所得添加不同份数白炭黑超疏水涂层热失重分析图如图3所示。
实施例3：
超疏水涂层由如下重量份数的原料组成，见表3：
表3
| 三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯 | 35 |
| 甲基丙烯酸异冰片酯 | 15 |
| 乙烯基三乙氧基硅烷 | 30 |
| 羟基氟聚二甲基硅氧烷 | 10 |
| 正己烷 | 20 |
| 白炭黑 | 8 |
| 2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯 | 0.2 |
| 甲基三丁酮肟基硅烷 | 0.7 |
| 辛酸亚锡 | 0.01 |
制备方法如下：
(1)将35g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、15g甲基丙烯酸异冰片酯、30g乙烯基三乙氧基硅烷和10g羟基氟聚二甲基硅氧烷依次加入20g正己烷中，搅拌5min后分别加入8g白炭黑，然后超声分散，接着在50℃下搅拌75min，即得有机溶液a；
(2)将0.7g甲基三丁酮肟基硅烷、0.01g辛酸亚锡和0.2g 2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯依次加入步骤(1)中所得有机溶液a中，继续搅拌65min，即得有机溶液b；
(3)将干净的金属浸入步骤(2)所得有机溶液b中，涂膜后取出，放入紫外光强度为75mW/cm2的固化箱内固化40s后，把滤纸置于75℃中保温缩合4h，即得聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。所得超疏水金属对水接触角照片如图4所示，接触角为152°，滚动角如图5所示，滚动角为8°。
实施例4：
将实施例1、2、3所得超疏水涂层用空气等离子体处理后，其超疏水性能消失，水滴在基底表面可以完全铺展，然后分别将涂层置于80℃、90℃和100℃温度条件下，进行热处理一段时间后，涂层可以快速恢复其超疏水的性能，所得不同温度热处理涂层对水接触角的曲线图如图6所示，可以看出，80℃下热处理2h后涂层即可恢复超疏水性能，90℃下热处理需要1h，并且接触角可以达到152°,而在100℃环境中热处理仅仅需要30min涂层的超疏水性能即可得到恢复，对比以上例子，可以看出热处理温度越高，涂层疏水性的恢复速度越快。
实施例5：
将实施例1、2、3所得超疏水涂层用空气等离子体处理后，其超疏水性能消失，水滴在基底表面可以完全铺展，然后将涂层置于100℃温度条件下热处理后，超疏水性能能够迅速恢复；再次使用空气等离子体对超疏水涂层进行破坏处理，接着再进行热处理，这种过程循环13次后，涂层依然能够恢复其超疏水性能，所得超疏水涂层接触角自修复循环图如图7所示，证明了这种超疏水涂层具备优异的自修复能力。
Claims (10)
1.一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将丙烯酸酯、硅烷偶联剂、聚硅氧烷与活性稀释剂搅拌混合均匀后加入白炭黑，然后超声分散，接着在40-60℃下搅拌50-100min，得到混合物a；
（2）将交联剂、催化剂和光固化剂依次加入混合物a中，继续搅拌50-80min，即得涂料混合物b；
（3）将涂料混合物b均匀涂布在基材表面，或将基材浸入涂料混合物b中取出后成膜，然后放入紫外光强度为50-100mW/cm2的固化箱内固化20-60s，并在50-100℃保温缩合2-6h，即得可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按重量份数计，丙烯酸酯20-50份、硅烷偶联剂20-40份、聚硅氧烷5-10份、活性稀释剂5-20份、白炭黑5-20份、交联剂0.1-0.7份、催化剂0.01-0.1份和光固化剂0.1-0.3份。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述搅拌的时间为5-30min。
4. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸酯为丙烯酸月桂酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和甲基丙烯酸异冰片酯中的一种或两种的混合物；所述硅烷偶联剂为乙烯基三叔丁氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三苯氧基硅烷、三[(1,1-二甲基乙基)二氧] 乙烯基硅烷和乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷、含氢聚二甲基硅氧烷和羟基氟聚二甲基硅氧烷中的一种；所述活性稀释剂为无水乙醇、正己烷、环戊烷、环己烷和正庚烷中的一种或两种的混合物。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述白炭黑为气相法白炭黑、沉淀法白炭黑和溶胶凝胶法制备的纳米二氧化硅中的一种以上。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光固化剂为2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮和4-二甲氨基-苯甲酸乙酯中的一种或两种的混合物。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、甲基三甲氧基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一种；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、辛酸亚锡、二丁基醋酸锡和三丁基氧化锡中的一种。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基材为玻璃、金属、陶瓷、塑料、木材、棉织物或纸张。
10.由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的一种可自修复的紫外光固化聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-白炭黑超疏水涂层。
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