透明超疏水噴劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及透明超疏水薄膜材料，尤其涉及一種透明超疏水噴劑及其制備方法和 應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 透明超疏水薄膜是繼超疏水涂層發(fā)展起來的一種新型膜材料。它所特有透明、超 疏水等特點，在微流體、防污、抗腐蝕、油水分離等方面的有巨大的應(yīng)用潛力。像太陽能電 池板自清潔、織物防污、橋梁防腐、油污染處理等領(lǐng)域用到了其透明和超疏水的特殊性能。 可以看出，透明超疏水薄膜材料未來必將以其優(yōu)異的性能在各領(lǐng)域中展現(xiàn)其重要的應(yīng)用價 值。
[0003] 典型的超疏水薄膜按照透明度一般分為三類：一類是稱為不透明超疏水薄膜，第 二類是稱為半透明超疏水薄膜，第三類是稱為透明超疏水薄膜，典型的有透明超疏水二氧 化硅薄膜，透明超疏水氧化鋅薄膜等。由于二氧化硅在紫外光下穩(wěn)定，制備方法簡單，因此 它常被以各種方式來制備超疏水涂層。從化學(xué)性質(zhì)上來說，因為二氧化硅表面有大量的羥 基，可以接枝各種疏水基團，所以它們的表面能可以根據(jù)所接枝的基團不同來調(diào)節(jié)；而對于 物理性質(zhì)，二氧化娃具有良好的高溫穩(wěn)定性。此外當二氧化娃粒徑小于100nm時，表現(xiàn)出高 度的透明性，通過調(diào)節(jié)二氧化硅膜的厚度，甚至可以具有增透的功能。
[0004] 溶膠-凝膠法是目前合成納米尺寸二氧化硅的主要方法之一，工業(yè)生產(chǎn)中稱為 Sol-Gel法，傳統(tǒng)的方法是大多采正硅酸乙酯作為硅源，全氟硅烷作為修飾劑?？梢钥闯?，該 法中所使用到的修飾劑全氟硅烷，由于其在自然環(huán)境中不易分解，對環(huán)境的危害很大，并且 全氟硅烷的價格昂貴，不利于民用化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種疏水性能好、可見光透過率高的 透明超疏水噴劑及其制備方法和應(yīng)用。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明一方面揭示了一種透明超疏水噴劑，包括表面 改性的Si02納米粒子和分散介質(zhì)，其中，所述表面改性的SiO2化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：
%體型結(jié)構(gòu)， 尺1、私為31(013)3或31(01 2013)3，111=105~10 9，112=105~109，111=103~10 7;所述分散 介質(zhì)為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇與正己烷、正庚烷中的一種或幾種。
[0007] 本發(fā)明第二方面提供了一種透明超疏水噴劑的制備方法，其包括以下步驟：
[0008] (1)溶膠的制備：提供正硅酸乙酯溶液A和堿性溶液B，混合后得到混合液C，加入 酸性溶液，調(diào)節(jié)PH為1~3,反應(yīng)得到二氧化硅溶膠固體含量為5-30%的二氧化硅溶膠；
[0009] (2)凝膠的制備：向步驟⑴得到的二氧化硅溶膠中加入堿性溶液B，使其PH值為 8-10,得透明狀二氧化硅凝膠；
[0010] (3)凝膠的改性：將改性劑與分散介質(zhì)混合得到混合液D，并將混合液D加入步驟 (2)得到的二氧化硅凝膠中，30-80°C下反應(yīng)l_24h，得到烷基化的二氧化硅凝膠；
[0011] (4)凝膠的分散和噴劑的制備：向步驟（3)得到的烷基化的二氧化硅凝膠中加入 分散介質(zhì)，洗滌，分散，得到分散液，沉降，分離上層清液得無色透明狀噴劑。
[0012] 本發(fā)明第三方面提供了本發(fā)明第一方面的透明超疏水噴劑的應(yīng)用，其包括以下步 驟：將所述透明超疏水噴劑噴涂于潔凈、干燥的基底上，再用40_120°C熱空氣吹，即可在基 底表面形成一層透明超疏水薄膜。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：透明超疏水噴劑呈無色透明狀，在常溫下呈液態(tài)，通過噴 涂在基體表面即可形成一層透明超疏水薄膜，不含氟元素，疏水性能好、可見光透過率高， 使用方便，可廣泛應(yīng)用于陶瓷、玻璃、紙張、木材、石材、金屬、或者聚合物材質(zhì)表面的疏水處 理。
【附圖說明】
[0014] 圖1是實施例一所得的透明超疏水涂層的場發(fā)射掃描電鏡圖。
[0015] 圖2是實施例一所得的透明超疏水涂層的透明性能測試圖。
【具體實施方式】
[0016] 由圖1所示，本發(fā)明一方面揭示了一種透明超疏水噴劑，包括表面改性的 Si02納米粒子和分散介質(zhì)，其中，所述表面改性的Si02分子式/化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：
為體型結(jié)構(gòu)， 尺1、私為31(013)3或31(01 2013)3，111=105~10 9，112=105~109，111=103~10 7;所述分散 介質(zhì)為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇與正己烷、正庚烷中的一種或幾種。
[0017] 優(yōu)選的，所述表面改性Si02質(zhì)量百分比為0. 01-0. 5%。
[0018] 優(yōu)選的，所述表面改性的3;[02納米粒子粒徑為10-100nm。
[0019] 本發(fā)明第二方面提供了一種透明超疏水噴劑的制備方法，其包括以下步驟：
[0020] (1)溶膠的制備：提供正硅酸乙酯溶液A和堿性溶液B，混合后得到混合液C，加入 酸性溶液，調(diào)節(jié)PH為1~3,反應(yīng)得到二氧化硅溶膠固體含量為5-30%的二氧化硅溶膠； [0021] ⑵凝膠的制備：向步驟⑴得到的二氧化硅溶膠中加入堿性溶液B，使其PH值為 8-10,得透明狀二氧化硅凝膠；
[0022] (3)凝膠的改性：將改性劑與分散介質(zhì)混合得到混合液D，并將混合液D加入步驟 (2)得到的二氧化硅凝膠中，30-80°C下反應(yīng)l_24h，得到烷基化的二氧化硅凝膠；
[0023] (4)凝膠的分散和噴劑的制備：向步驟（3)得到的烷基化的二氧化硅凝膠中加入 分散介質(zhì)，洗滌，分散，得到分散液，沉降，分離上層清液得無色透明狀噴劑。
[0024] 優(yōu)選的，所述改性劑包括三甲基一氯硅烷、三乙基氯硅烷和六甲基二硅胺烷中的 至少一種。進一步優(yōu)選的，所述分散介質(zhì)包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇與正己烷、正庚烷 中的至少一種。被修飾的疏水性二氧化硅能穩(wěn)定地分散于甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇與正 己烷、正庚烷中，分散介質(zhì)具有揮發(fā)性，使成膜的溫度大大降低。更進一步優(yōu)選的，所述步 驟（3)中，改性劑與分散介質(zhì)的重量比為1 :1_15。再進一步優(yōu)選的，所述步驟（3)中，混合 液D與二氧化硅凝膠的質(zhì)量比為1:1-3. 5。更進一步優(yōu)選的，所述步驟（4)中，所述分散介 質(zhì)分兩步加入，第一步中分散介質(zhì)為甲醇、乙醇、正丙醇和異丙醇中的至少一種，二氧化硅 凝膠與分散介質(zhì)的質(zhì)量比為1 :2_8 ;第二步中分散介質(zhì)為正己烷和正庚烷中的至少一種， 二氧化硅凝膠與分散介質(zhì)質(zhì)量比為1:3-20。再進一步優(yōu)選的，所述步驟（4)中，沉降溫度 為-10°C-30°C，時間為 0? 5-30 天。
[0025] 優(yōu)選的，所述正硅酸乙酯溶液A和堿性溶液B溶劑采用乙醇、甲醇、正丙醇或異丙 醇中的至少一種。
[0026] 優(yōu)選的，所述堿性溶液B溶質(zhì)為氨，所述酸性溶液溶質(zhì)為鹽酸。
[0027] 本發(fā)明第三方面提供了本發(fā)明第一方面的透明超疏水噴劑的應(yīng)用，其包括以下步 驟：將所述透明超疏水噴劑噴涂于潔凈、干燥的基底上，烘干，即可在基底表面形成一層透 明超疏水薄膜。具體的，所述烘干過程可采用40_120°C熱空氣吹。
[0028] 優(yōu)選的，所述基底材料選自陶瓷、玻璃、紙張、木材、石材、金屬、或者聚合物中的任 意一種。
[0029] 優(yōu)選的，所述透明超疏水薄膜接觸角不小于150°，滾動角小于10°。
[0030] 優(yōu)選的，所述透明超疏水薄膜在可見光區(qū)域透明，550nm光透過率為90-99%。
[0031] 下面結(jié)合實施例詳述本發(fā)明的透明超疏水噴劑及其制備方法和應(yīng)用。
[0032] 實施例一
[0033] (1)將4. 7g正硅酸乙酯與7. 9g甲醇混合均勻，得到混合液A;將7. 5g0. 02mol/L 氨水與7. 9g乙醇混合均勻，得到混合液B。將混合液A與混合液B混合均勻，得到混合液 C。將3. 5g0.lmol/L鹽酸加入混合液C，再在50Hz下超聲2h，得到溶膠前驅(qū)體，所述的正 硅酸乙酯二氧化硅含量為28% ;
[0034] (2)在高速攪拌的條件下向溶膠前驅(qū)體中加入質(zhì)量分數(shù)為25% -28%的氨水，使 其PH值為8-10,得透明狀凝膠前驅(qū)體；
[0035] (3)將8g三乙基氯硅烷與48. 5g正己烷混合均勻，得到混合液D。將混合液D加 入到凝膠前驅(qū)體中，60°C下反應(yīng)16h，得到烷基化的二氧化硅凝膠；
[0036] (4)使用正己烷和正丙醇洗滌烷基化的二氧化硅凝膠，將20g正丙醇加入洗滌過 的烷基化的二氧化硅凝膠，在50Hz下超聲lh，得到分散液；
[0037] (5)向分散液中加入60g正庚烷，再在50Hz下超聲0? 5h，得到的液體放置于_10°C 下三天，沉降，最后分離上層清液得無色透明狀噴劑；
[0038] (6)噴劑噴于載玻片表面，再用120°C熱空氣吹干基底，多次循環(huán)，可得透明超疏 水表面。
[0039] 對最終得到的透明超疏水涂層通過JSM7100F型場發(fā)射掃描電鏡觀察涂層微觀結(jié) 構(gòu)，得到圖1所示的照片，由圖1可知，制備得到的透明超疏水涂層致密，顆粒排列規(guī)則。
[0040] 對涂覆透明超疏水涂層前后的載玻片通過UV-3600型紫外可見分光光度儀測試 可見光透過率，得到圖2所示的曲線，由圖2可知，涂覆有透明超疏水涂層前后的載玻片 350-800nm可見光透過基本維持不變，可見光透過率>85 %。
[0041] 實施例二
[0042] (1)將4. 7g正硅酸乙酯與7. 9g乙醇混合均勾，得到混合液A;將7. 5g0. 02mol/L 氨水與7. 9g乙醇混合均勻，得到混合液B。將混合液A與混合液B混合均勻，得到混合液 C。將3. 5g0.lmol/L鹽酸加入混合液C，再在50Hz下超聲2h，得到溶膠前驅(qū)體，所述的正 硅酸乙酯二氧化硅含量為28% ;
[0043] (2)在高速攪拌的條件下向溶膠前驅(qū)體中加入質(zhì)量分數(shù)為25% -28%的氨水，使 其PH值為8-10,得透明狀凝膠前驅(qū)體；
[0044] (3)將6. 5g三甲基一氯硅烷與48. 5g正己烷混合均勻，得到混合液D。將混合液 D加入到凝膠前驅(qū)體中，60°C下反應(yīng)16h，得到烷基化的二氧化硅凝膠；
[0045] (4)使用正己烷和正丙醇洗滌烷基化的二氧化硅凝膠，將20g正丙醇加入洗滌過 的烷基化的二氧化硅凝膠，在50Hz下超聲lh，得到分散液；
[0046] (5)向分散液中加入60g正庚烷，再在50Hz下超聲0? 5h，得到的液體放置于-10°C 下三天，沉降，最后分離上層清液得無色透明狀噴劑；
[0047] (6)噴劑噴于瓷磚表面，再用100°C熱空氣吹干基底，多次循環(huán)，可得透明超疏水