一種透明超疏水涂層及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于功能涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在玻璃基底上制備透明超疏水涂層的方法。

背景技術(shù)：

荷葉具有“出淤泥而不染”的自清潔效應(yīng)，如果將這種原理運(yùn)用到汽車的烤漆、建筑物的外墻或是玻璃上，不但隨時可以保持物體表面的清潔，也減少了洗滌劑對環(huán)境的污染，可以說既安全又省力。德國生物學(xué)家Barthlott等研究人員通過對近300種植物葉表面進(jìn)行研究，認(rèn)為這種自清潔的特性是由粗糙表面上微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面疏水的蠟質(zhì)材料共同引起的。之后，江雷課題組發(fā)現(xiàn)在荷葉表面微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，乳突的平均直徑5～9μm，每個乳突表面分布著直徑在(124±3)nm的絨毛。此外，在荷葉乳突之間的表面也具有納米結(jié)構(gòu)。這些研究結(jié)果表明，荷葉表面的微/納多級粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能的蠟質(zhì)物使其具有自清潔功能。這種具有微/納多級粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能的表面被稱為超疏水表面。嚴(yán)格來說，超疏水表面是指與水的接觸角大于150°，且滾動角小于10°的表面。

超疏水性與透明性對材料的結(jié)構(gòu)要求上存在一定的矛盾。利用分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生粗糙度是構(gòu)筑超疏水表面的必要條件，但是不同微納結(jié)構(gòu)所構(gòu)筑的粗糙表面可能會由于光的散射而導(dǎo)致不透明。有研究表明，當(dāng)粗糙結(jié)構(gòu)的尺寸小于可見光的波長(最好能小于100nm)時，可以避免光的米氏散射，使超疏水表面具有很高的透明性。將透明超疏水材料用于擋風(fēng)玻璃、隱形眼鏡、透明電極、相機(jī)鏡頭、太陽能電池中，不僅可以保持材料表面的美觀性，還可以大大提高其使用壽命，避免工作效率的退化。

構(gòu)筑超疏水表面的方法有溶膠凝膠法、納米組裝法、模板法、原位生長法、化學(xué)氣相沉積法、相分離法等。針對透明超疏水表面的制備，目前研究者們通常是用無機(jī)材料、有機(jī)材料或 者有機(jī)/無機(jī)雜化材料在基質(zhì)上構(gòu)筑粗糙結(jié)構(gòu)，然后用低表面能物質(zhì)對其進(jìn)行表面修飾，從而獲得透明超疏水表面。然而，該方法在制備的過程中，需要用到含氟的物質(zhì)，從而對環(huán)境不友好。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種透明超疏水涂層及其制備方法，以解決透明超疏水表面生產(chǎn)過程中使用含氟污染物的缺點，最終獲得到透明性較好的超疏水涂層。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種透明超疏水涂層的制備方法，其技術(shù)方案是：

一種透明超疏水涂層的制備方法，首先將PDMS與改性的碳納米管形成的混合涂層液噴涂在玻璃基材上，然后將玻璃在500℃～550℃的條件下煅燒3～5小時，最后在該玻璃基材表面沉積一層PDMS的有機(jī)低聚物，對玻璃進(jìn)行疏水化處理，最終在玻璃基材表面獲得一層超疏水涂層。

在PDMS與改性的碳納米管形成的混合涂層液中，所述PDMS的濃度為0.1g/L～0.25g/L，改性的碳納米管的濃度為0.75g/L～1.0g/L。

所述的PDMS與改性的碳納米管形成的混合涂層液是根據(jù)以下步驟獲得：首先將PDMS溶于四氫呋喃溶液中，然后將改性的碳納米管置于該溶液中，超聲分散即可。

所述改性的碳納米管是依次用酸液、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性而得。

所述噴涂也噴涂在玻璃基材上時，噴涂壓強(qiáng)為：0.4kPa～0.6kPa，噴涂距離為10cm～20cm。

所述涂層液噴涂在玻璃基板上后，在80℃下固化。

玻璃基材表面沉積的一層PDMS的有機(jī)低聚物是在380℃～420℃下沉積1.5h～2.5h而得。

所述的玻璃基材表面沉積的一層PDMS的有機(jī)低聚物是采用氣相沉積而得。

一種透明超疏水涂層，形成有該涂層的玻璃的表面水接觸角大于165°，滾動角小于3°。

形成有該涂層的玻璃在可見光范圍內(nèi)，平均透光率大于83％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明先將PDMS與改性碳納米管的混合液噴涂在玻璃表面，然后將該玻璃煅燒后在其表面形成一層PDMS的有機(jī)低聚物，對其進(jìn)行疏水化處理，最終在玻璃表面得到一層透明性優(yōu)異的超疏水涂層。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明超疏水涂層的結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖。

圖2為水滴滴在本發(fā)明超疏水涂層表面的狀態(tài)圖。

圖3為本發(fā)明超疏水涂層的易滾動性示意圖。

【具體實施方式】

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種透明超疏水涂層的制備方法，其技術(shù)方案是：

a.十八胺改性碳納米管的制備

將碳納米管依次用濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65％)、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性，得到十八胺改性碳納米管。

b.涂層液的制備

將一定量聚二甲基硅氧烷(PDMS：道康寧184預(yù)聚體和固化劑以質(zhì)量比10:1混合所得產(chǎn)物)溶于四氫呋喃中。再取適量十八胺改性碳納米管置于四氫呋喃溶液中，超聲15min得到均勻分散的涂層液。其中，PDMS的量和十八胺改性碳納米管的量以能溶解為準(zhǔn)。

c.透明超疏水涂層的制備

將玻璃基材依次用丙酮、蒸餾水、乙醇進(jìn)行洗滌，烘干備用。將所得涂層液垂直噴涂于玻璃表面，80℃固化。將所得涂層高溫煅燒，隨后使用固化PDMS(道康寧184預(yù)聚體和固化劑以質(zhì)量比10:1混合，80℃下固化3h所得產(chǎn)物)對所得涂層進(jìn)行氣相沉積，最終制得透明超疏水涂層。

按上述方法，b中所述的PDMS在四氫呋喃中的濃度為0.1～0.25g/L。

按上述方法，b中所述的十八胺改性碳納米管在四氫呋喃中的濃度為0.75～1.0g/L。

按上述方法，c中所述噴涂壓強(qiáng)0.4～0.6kPa，噴涂距離10～20cm。

按上述方法，c中所述高溫煅燒條件為500℃～550℃下煅燒3～5h。

按上述方法，c中所述氣相沉積條件為380～420℃下沉積固化的PDMS0.25～0.5g，沉積時間1.5～2.5h。

為了便于理解本發(fā)明，列舉實施例如下。但本發(fā)明并不局限于這些實施例，本技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)人員應(yīng)了解，所舉實施例僅用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)該視其為對本發(fā)明的具體限制，而本發(fā)明要求保護(hù)的范圍也并不局限于實施例列舉的范圍。

實施例1

a.十八胺改性碳納米管的制備

將碳納米管依次用濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65％)、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性，得到十八胺改性碳納米管。

b.涂層液的制備

取PDMS溶于四氫呋喃中，保持PDMS在四氫呋喃中的濃度為0.1g/L，再取適量十八胺改性碳納米管置于溶液中，保持十八胺改性碳納米管在四氫呋喃中的濃度為0.75g/L，超聲15min得到均勻分散的涂層液。

c.透明超疏水涂層的制備

將玻璃基材依次用丙酮、蒸餾水、乙醇進(jìn)行洗滌，烘干備用。將所得涂層液垂直噴涂于玻璃表面，保持噴涂壓強(qiáng)0.4kPa，噴涂距離10cm，80℃固化。將所得涂層500℃煅燒5h，隨后取0.25g固化PDMS在380℃下氣相沉積2.5h，最終制得透明超疏水涂層。

實施例2

a.十八胺改性碳納米管的制備

將碳納米管依次用濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65％)、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性，得到十八胺改性碳納米管。

b.涂層液的制備

取PDMS溶于四氫呋喃中，保持PDMS在四氫呋喃中的濃度為0.2g/L，再取適量十八胺改性碳納米管置于溶液中，保持十八胺改性碳納米管在四氫呋喃中的濃度為0.85g/L，超聲15min得到均勻分散的涂層液。

c.透明超疏水涂層的制備

將玻璃基材依次用丙酮、蒸餾水、乙醇進(jìn)行洗滌，烘干備用。將所得涂層液垂直噴涂于玻璃表面，保持噴涂壓強(qiáng)0.5kPa，噴涂距離15cm，80℃固化。將所得涂層525℃煅燒4h，隨后取0.3g固化PDMS在400℃下氣相沉積2h，最終制得透明超疏水涂層。

實施例3

a.十八胺改性碳納米管的制備

將碳納米管依次用濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65％)、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性，得到十八胺改性碳納米管。

b.涂層液的制備

取PDMS溶于四氫呋喃中，保持PDMS在四氫呋喃中的濃度為0.25g/L，再取適量十八胺改性碳納米管置于溶液中，保持十八胺改性碳納米管在四氫呋喃中的濃度為1g/L，超聲15min得到均勻分散的涂層液。

c.透明超疏水涂層的制備

將玻璃基材依次用丙酮、蒸餾水、乙醇進(jìn)行洗滌，烘干備用。將所得涂層液垂直噴涂于玻璃表面，保持噴涂壓強(qiáng)0.6kPa，噴涂距離20cm，80℃固化。將所得涂層550℃煅燒3h，隨后取0.5g固化PDMS在420℃下氣相沉積1.5h，最終制得透明超疏水涂層。

實施例4

a.十八胺改性碳納米管的制備

將碳納米管依次用濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65％)、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性，得到十八胺改性碳納米管。

b.涂層液的制備

取PDMS溶于四氫呋喃中，保持PDMS在四氫呋喃中的濃度為0.25g/L，再取適量十八胺改性碳納米管置于溶液中，保持十八胺改性碳納米管在四氫呋喃中的濃度為1g/L，超聲15min得到均勻分散的涂層液。

c.透明超疏水涂層的制備

將玻璃基材依次用丙酮、蒸餾水、乙醇進(jìn)行洗滌，烘干備用。將所得涂層液垂直噴涂于玻璃表面，保持噴涂壓強(qiáng)0.4kPa，噴涂距離15cm，80℃固化。將所得涂層530℃煅燒5h，隨后取0.25g固化PDMS在400℃下氣相沉積1.5h，最終制得透明超疏水涂層。

實施例5

a.十八胺改性碳納米管的制備

將碳納米管依次用濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65％)、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性，得到十八胺改性碳納米管。

b.涂層液的制備

取PDMS溶于四氫呋喃中，保持PDMS在四氫呋喃中的濃度為0.1g/L，再取適量十八胺改性碳納米管置于溶液中，保持十八胺改性碳納米管在四氫呋喃中的濃度為0.8g/L，超聲15min得到均勻分散的涂層液。

c.透明超疏水涂層的制備

將玻璃基材依次用丙酮、蒸餾水、乙醇進(jìn)行洗滌，烘干備用。將所得涂層液垂直噴涂于玻 璃表面，保持噴涂壓強(qiáng)0.6kPa，噴涂距離20cm，80℃固化。將所得涂層520℃煅燒4h，隨后取0.5g固化PDMS再420℃下氣相沉積1.5h，最終制得透明超疏水涂層。

實施例6

a.十八胺改性碳納米管的制備

將碳納米管依次用濃硝酸、氯化亞砜、十八胺進(jìn)行改性，得到十八胺改性碳納米管。

b.涂層液的制備

取PDMS溶于四氫呋喃中，保持PDMS在四氫呋喃中的濃度為0.2g/L，再取適量十八胺改性碳納米管置于溶液中，保持十八胺改性碳納米管在四氫呋喃中的濃度為0.75g/L，超聲15min得到均勻分散的涂層液。

c.透明超疏水涂層的制備

將玻璃基材依次用丙酮、蒸餾水、乙醇進(jìn)行洗滌，烘干備用。將所得涂層液垂直噴涂于玻璃表面，保持噴涂壓強(qiáng)0.5kPa，噴涂距離10cm，80℃固化。將所得涂層510℃煅燒3h，隨后取0.5g固化PDMS再420℃下氣相沉積1.5h，最終制得透明超疏水涂層。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益結(jié)果為：

(1)原料價格低廉，易于購買，不涉及任何含氟污染物；

(2)通過控制涂層液中PDMS以及碳納米管的濃度，使得煅燒所得涂層具有適宜的粗糙度，此粗糙度既能有效的消除光照過程中米氏散射的影響，提高涂層的透明度，又足以提供構(gòu)筑超疏水涂層所需的粗糙度(圖1)。

(3)通過本發(fā)明方法制備的透明超疏水玻璃，表面水接觸角大于165°(圖2)，滾動角小于3°(圖3)，水滴在其表面極易滾動，可以帶走表面的灰塵，具有很好的自清潔功能；

(4)通過本發(fā)明方法制備的透明超疏水玻璃具有良好的透光性(圖3)，在可見光范圍內(nèi)，平均透光率大于83％；

(5)本發(fā)明方法制備的透明超疏水玻璃，可用于太陽能電池板、汽車擋風(fēng)玻璃、隱形眼鏡、透明電極、相機(jī)鏡頭、建筑物外墻等。

本發(fā)明首先將PDMS與十八胺改性碳納米管的混合溶液噴涂于玻璃基材上，再將玻璃在高溫下煅燒，隨后在煅燒過后的玻璃表面沉積一層PDMS的有機(jī)低聚物，對其進(jìn)行疏水化處理，最終在玻璃表面得到一層透明性優(yōu)異的超疏水涂層。