2017年第l4期 广 东 化 工 WWW.gdchem.com 69 第44卷总第352期 高耐磨亲水亲油易清洁纳米涂层的制备及性能 龚红升,蒋卫中,周智维,向昌维 (广州I希森美克新材料科技仃限公州,广东广州510663) [摘要】高耐磨亲水亲油易清洁纳米涂层是以硅酸盐、硅溶胶和纳米氧化锆分散液等为原料,磷酸铝作固化剂,按照合适的比例混合,经喷 涂烘烤制备的涂层。经试验,以n(SiO. ̄):n(M ):n(PO4 )=8.3:I.7:I,添加0.5%质照分数的纳米氧化锆分散液制备的涂层,在湿度93%、温 度55℃、时间96小时的恒温恒湿测试条件下能够保持良好的表面状态而不出现白斑:经过3万次的酉沽布摩擦来出现刮痕、磨损、脱落或者 易清洁性降低的现象;与去离子水的接触角平均值为7.4。,与大豆油的接触角平均值为l9.0。:涂层具有优异的长效保护和易清洁性能。 [关键词]亲水亲油:易清洁;高耐磨t纳米涂层 [中图分类号]0647 f文献标识码]A 『文章编号11007—1865(2017)l4.0069—03 Preparation and Properties of High Wear,Hydrophilic,Lipophilic,Easy to Clean Nano Coating Gong Hongsheng.Jiang Weizhong,Zhou Zhiwei,Xiang Changwei (Guangzhou Sysmyk New Material Tech Co.,Ltd.,Guangzhou 5 10663,China) Abstract:High weak hydrophilic,lipophilic,easy to clean nano coating is made of silicate,silica sol and nano zirconia dispersion as raw materials。and aluminum phosphate as curing agent,prepared according to the appropriate proportion.Atier the test,n(SiO2):n(M ):n(PO43-)=8.3:1.7:1,adding 0.5%mass rfaction of nano zirconia dispersion coating solution preparation.can keep the surthce in good conditionⅥ ithout white spots appear in the constant temperature and humidity test conditions 0f93%humidity,temperature 55℃.time 96 hours.Atier BaiJie clean cloth friction 30 thousand times,no scratches.wear,tear and easy to clean performance degradation.The average contact angle with deionized watel‘is 7 4 degrees.and with soybean oil is 19.0 degrees The coating has excelIent long—term protection and easy cleaning performance. Keywords:hydrophilic and lipophiIic:easy to clean:high wear resistance:llano coating 近年来,随着人们对生活质量要求的不断提高以及环保和节 能意识的不断增强,具有易清洁功能的表面得到迅速发展。易清 洁表面是指表面的污染物或灰尘在重力或雨水、风力等外力作用 下能够自动脱落或菁能被轻易擦除的一种表面_II。而在固体表面 上.颗粒一般会趋于附着亲水性小的物质}=-。当固体表面涂上超 亲水涂层后,表面达到超亲水性。用水冲洗或雨水落在涂层表面 上之后能够完全铺展开而带走污物,从而防L【=固体表面形成水滴 富含污垢和形成水条纹,避免影响固体表而清洁度f21。 超亲水现象是TOTO公司任I995年意外发现TiO /SiO2薄膜 经紫外光照射而具有超亲水性。至2000年Fujishimat 1首次提出了 “越亲水”的概念。一般认为物体表面与水的接触角小于等于5。 称为具有超亲水性。模仿自然界一些亲水易洁的现象【4_ 1,在物体 表面进行化学物质修饰和几何结构构造,极性较高的表面配合粗 糙的“沟槽结构”或者微孔结构可以使物体表面具有长久的超亲 水亲油性【 ~1。Shu Song等[8】采用十二烷基苯磺酸钠对二氧化钛粒 子进行改性,并将涂布在ITO导电玻璃上,形成的薄膜在无紫外 光照射时依然具有超亲水性。但这种涂层时效性短,耐磨性较差。 针埘现在技术亲水亲油易清洁涂层的时效短,发挥作用需要 光照,耐磨性差等缺点,本文研究了一种耐磨性好、时效久的亲 水亲油易清洁纳米涂层。使用多种金属硅酸盐和溶胶,选择适合 的固化剂制备亲水亲油易清洁纳米涂料;喷涂在基材表面,通过 加热固化,得到表面亲水亲油及具有微观粗糙结构的易清洁表面。 恩士(中国)有限公司:喷枪:LPH101,日本阿耐思特岩田株式会 社。 1.2制各方法 亲水亲油涂料的制备:在室温下,将一定比例的硅酸锂、硅 酸钠、硅酸钾、硅溶胶、氧化铝溶胶、纳米氧化锆分散液,按顺 序加入到水溶液中,以200 r/min混合l0 min,再将磷酸铝、三乙 醇胺和改性硅氧烷的混合液慢慢滴加到上述溶液中。以200 r/min 混合10 min,然后用400目滤布过滤。得到高耐磨亲水亲油纳米 涂料。 高耐磨亲水亲油涂层的制备:先将不锈钢表面用NOVclean 不锈钢清洗剂经超声波清洗至亲水状态,用去离子水冲洗掉清洗 剂,放入lo0℃的干燥箱,待基材表面干燥,取出;使用喷枪低 压低流量将亲水亲油纳米涂料喷涂到不锈钢表面:然后将基村转 入到50℃干燥箱烘烤l0 airn,再转入l80℃干燥箱烘烤60 min, 取出得到高耐磨亲水亲油纳米涂层。 1_3表征与测试 1-3.1耐磨性测试 用Taber5750线性磨耗仪测试高耐磨亲水亲油易清洁纳米涂 层的耐磨次数,磨头选用妙洁海绵百洁布,沾5%的立白洗洁精, 荷重1.0KG,摩擦一个来回计为一次。 l_3.2耐恒温恒湿测试 耐恒湿恒湿测试采用高低温交变试验箱测试,湿度93%,温 度55℃进行测试,测试时间96小时。 l_3-3接触角测试 采用JC2000C1接触角仪通过悬滴法测量高耐磨亲水亲油易 清洁纳米涂层与去离子水和大豆油的接触角。 1实验部分 1.1原料与仪器 硅酸锂:35,日J 化学;硅酸钠:Kasil一1,PQ Corporation; 硅酸钾:格雷斯贸易(上海)有限公司;硅溶胶:snowtex N,日产 化学;铝溶胶:XZ—ll28,合肥翔正化学科技有限公司;纳米氧 化锆分散液:VK.R50W,宣城晶瑞新材料有限公司;磷酸铝:试 剂级,南京化学试剂股份有限公司;三乙醇胺:工业级,天津浩 元精细化工股份有限公司;改性硅烷:自制;基材:304不锈钢: 大豆油:金龙鱼大豆油,市购:清洗剂:NOVclean不锈钢清洗剂, 广州希森美克新材料科技有限公司。 电子天平:JJl000,常熟市双杰测试仪器厂:接触角表面张 力测量仪:JC2000Cl,上海中晨数字技术设备有限公司:线性磨 耗仪:Taber5750,翁开尔有限公司:高低温交变试验箱: GDJS—l00B,广州标格达实验室仪器用品有限公司;电热鼓风干 燥箱:上海一恒科学仪器有限公司:三维显微镜:VHX.5000.基 2结果与讨论 2.1涂层耐恒温恒湿性 涂层的耐恒温恒湿性是高耐磨亲水亲油涂层耐久性的评价条 件。耐久性差的涂层在恒温恒湿环境下.短时间内就会出现大面 积的白斑,此白斑为涂层内部大量金属离子流失的表现,金属离 子流失也意味着涂层的亲水性下降。 在前期试验的基础上发现:二氧化硅、金属离子与磷酸根离 子的摩尔比是影响着涂层的各种性能,因此本实验均通过n(SiO2) :n(M ):n(PO )的比例来衡量涂层各性能的差异。 【收稿日期】2017-06・06 [基金项闷]广州市科技 中小企业技术创新资金专项(2叭7Ol0l6049O)资助项曰 【作酱简介】龚红J't (1986.),男,硕士研究生,主要研究亲水亲油和疏水疏油方向。 广70 东化工 2017年第l4期 第44卷总第352期 WWW.gdchem.com 对应的配方中各添加O.5%质量分数的纳米氧化锆分散液,涂层的 耐磨性均有一定的提升,因此zrO2的加入对涂层耐磨性也具有帮 助作用。 2.3涂层与水和大豆油的接触角 涂层与液体的接触角和涂层的表面能以及液体的表面能大小 有关。图3和图4为不同n(SiO2):n(M ):n(P043-)比例的涂层表 面与去离子水和大豆油接触角的关系。 n(s ̄o2):n(M ):n(PO ̄3) 注:发白等级分为0~5级:0级为最佳状态.涂层无发自点:5级为最差 状态.发白面积最大。 图1 n(SiO2):n(M ):n(P043-)对涂层恒温恒湿环境下发白状况 的影响 Fig.1 Effbct of ratio ofn(Si02):n(M ):n(P04 )on coating whitish condition in a constant temperature and humidity environment 从图1中可以看出,当n(SiO2):n(M ):n(P04 )的比例在9 :l:l和8:2:1之间时涂层在恒温恒湿环境下发白的程度最 低,即涂层中金属离子的在较低的状态时涂层发白的可能性较小: 随着金属离子的量增加,涂层发白程度越严重,说明金属离子所 占比例越高在恒温恒湿环境下金属离子越容易从涂层中析出至表 面,形成洗不掉的白斑 因此金属离子所占比例应控制在较低的 水平。 2.2涂层耐磨性 涂层的耐磨性决定了其在使用过程中的耐擦洗性以及美观度 等,因此涂层的耐磨性是涂层的关键性能要求。考察n(SiO2): n(M ):n(P04 )的不同比例对涂层耐摩擦次数的影响,以及在此 基础上添加O.5%质量分数的纳米氧化锆分散液对涂层耐摩擦次 数的影响。测试各配方的耐摩擦次数,摩擦测试的终点是涂层表 图3不 触角 水的接 Fig.3 Contact angle ofcoating with diferent n(Si02):n(M ) n(PO4 ‘)and deionized water 面出现刮痕、磨损、脱落或者易清洁性降低。图2为n(SiO2):n(M ) :n(P043-)的不同比例对涂层耐磨性的影响。 n(SiO2):n(M ):n(PO。 ) 图4 不同n(Si02):n(M ):n(Po4})比例的涂层与大豆油的接触角 Fig.4 Contact angle ofcoating with diferent n(Si02):n(M ): n(PO4 ’)and soybean oi l 图2n(SiO2):n(M ):n(P043-)对涂层耐磨性的影响 Fig.2 Effect of ratio of n(Si02):n(M ):n(P04 。)on coating abrasion resistance 从图2可以看出,随着n(SiO2):n(M )比值降低涂层的耐磨 次数不断降低,也就是说涂层中随着SiO2含量的减少,涂层的耐 磨性下降,因此涂层中SiO2的含量决定着涂层的耐磨性。同时与 从图3和图4可以看出,随着n(SiO2):n(M )LC值降低,涂 层表面与去离子水和大豆油的接触角都随着降低。也就是,随着 金属离子占比的增加,涂层与去离子水和大豆油的接触角不断降 低。添加了O.5%的纳米氧化锆分散液的涂层与去离子水和大豆油 的接触角也具有相同的规律,因此金属离子的增加可以降低涂层 与去离子水和大豆油的接触角。 2.4涂层的表面结构表征 图5为n(Si02):n(M ):n(P04 ):5:5:1的涂层恒温恒湿测试 的表面显微照片。 Fig,5 Micrograph ofcoating ofn(Si02):n(M ):n(P04 ’)after constant temperature and humidity test 2017年第14期 广 东 化 工 www.gdchem.COlTl 第44卷总第352期 从图5中可以看出,当金属离予占比较高时,涂层经过恒温 恒湿测试后表面出现大面积的白斑,经显微放大可以看到,这些 白斑均为严重的裂痕。 根据以上实验结果,为了首先保证涂层的耐恒温恒湿性和耐 磨性,需要将n(SiO!):n(M )的比值控制在9:l和8:2之间, 其中选择n(SiO2):n(M ):n(P043-)=8.3:1.7:l,纳米氧化锆分散 液的添加量为O.5%进行测试。结果为涂层的恒温恒湿测试未发 白,耐磨测试超过3万次,与去离子水的接触角平均值为7.4o, 与大豆油的接触角平均值为19.0。。称该涂层为优良涂层。图6为 优良涂层恒温恒湿测试后的表面显微图片。 从图6中可以看出,优良涂层经过恒温恒湿测试后表面依然 表现正常,没有出现裂痕。说明没有碱腐蚀涂层表面,也艮『J是在 恒温恒湿测试过程中没有金属离子的析出。 从图7中可以看出,涂层表面均并不是光滑的.而是粗糙的 “沟槽结构”。这种结构有助于表面保持长久的亲水性。 Fig6 Surface micrograph ofexcellent coating .Fig.7 Measurement ofsurface roughness ofexcellent coating 3结论 选择n(SiO2):n(M ):n(PO43-):8-3:1.7:l,添加0.5%质量 分数的纳米氧化锆分散液制备高耐磨亲水亲油易清洁纳米涂层。 该涂层在湿度93%、温度55℃、时间96小时的恒温恒湿测试条 件下能够保持良好的表面状态而不出现白斑:经过3万次的百洁 布摩擦未出现刮痕、磨损、脱落或者易清洁性降低的现象:与去 离子水的接触角平均值为7.4。,与大豆油的接触角平均值为l9.0。: 涂覆在表面光滑的不锈铡等金属表面可以起到长效保护、易清洁 的作用。 黧一一一 ~~一 ~一~一~ 一一~一一~一 一~ 周智维,等.高耐磨亲水亲油 (本文文献格式:龚红升,蒋卫中. 易清I ̄l /R -r]米涂层的制备及性能[J]. 广东化工,201 7,44(14):69—71) 【lO】李志英,郭建萍.纳滤膜除硫酸根与传统除硫酸根方法比较[J].氯碱 化工,2008.44(6):15-16. 【I I】李秀燕,杨向东,王菊花.等.C1M膜法脱除盐水中的硫酸根[J].氯 碱j==业,2014(4):5-7. 参考文献 [1】郑建勇,钟明强.冯杰.基于超疏水原理的自清洁表面研究进展及产业 化状况….化工进展,2010(2):281—284. 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