專利名稱：一種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于疏水膜層及其制備領域，特別涉及ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層及其制備方法。
背景技術：
表面潤濕性是ー種自然現(xiàn)象，是材料表面的重要特性之一。固體表面的潤濕性是由其化學組成和微觀幾何結構共同決定的。隨著對自然界中表面疏水性的深入研究，對親水性材料的表面再處理，已經得出了一些改變表面性能的エ藝，對親水性材料表面改性制備出表面疏水的材料已經成為現(xiàn)實。通常將接觸角小于90°的表面定義為親水表面，大于90°的表面定義為疏水表面。 疏水表面具有很多獨特的表面性能如自清潔性、防污特性、疏水、低摩擦系數(shù)等特性，這些特殊性能使其在很多領域具有巨大的應用價值。如將其應用玻璃表面可以制備出自清潔玻璃，可以作為汽車、飛機、航天器等擋風玻璃，不僅可以減少空氣中灰塵等污染，而且在高濕度環(huán)境或者雨天保持透明度，雨水在玻璃表面迅速凝聚成水滴，很快滾落同時帶走表面污染物，保持表面的清潔。搪瓷材料已廣泛應用在地鐵、隧道、建筑物外墻等建筑物裝飾，疏水自潔的搪瓷有著廣泛的應用前景，它能提高公共場所的環(huán)境質量，減少污染，延長設備使用壽命，對于搪瓷表面的疏水性能研究還未見具體的報道。中國專利公開號CN101422774涉及ー種具有疏水效應的搪瓷表面涂層的制備方法，包括(I)將搪瓷基板用去離子水清洗，置烘箱烘干；(2)溶膠的制備，將摩爾比為I
2.5 2 5 3 8 O. I O. 4 I 4 的 Si (OC2H5)4, C2H5OH, H2O, HCl, DMF 混和，室溫下攪拌1-2小時，加入疏水劑，pH值I 4 ; (3)溶膠在室溫下陳化8 12天；(4)采用浸涂法，將步驟(I)的搪瓷基板浸在溶膠中，垂直提拉，然后在60°C-20(TC保溫5-20小吋，冷卻即得。該專利具有疏水效應的搪瓷表面涂層材料結合強度高，接觸角最高可達140°，疏水效果好，疏水效應保持時間長，該制備エ藝操作簡便，生產成本低。中國專利公開號CN1481342涉及ー種自清潔表面的基材，所述基材具體指玻璃、陶瓷、塑料或金屬基材，或者是釉面或搪瓷基材，所述基材包括位于其上的至少部分表面疏水化和結構化(突起和凹陷)的涂層。該專利的基材含有用來形成涂層結構的平均粒徑小于IOOnm,特別是5nm到小于50nm的顆粒。該專利用來形成基材的結構化涂層的組合物含有重量比為100 I到I : 2的，特別是20 I到I : I的形成結構的顆粒和成層材料。所述涂層不但具有良好的自清潔性，而且具有優(yōu)良的透明度。所述基材的用途特別針對各種不同的玻璃物件。中國專利公開號CN102181194涉及ー種環(huán)保型防結垢納米瓷膜涂料及其制備方法，屬于功能涂料領域。該涂料的配方為鋁溶膠15 65%、硅溶膠15 65%、硅烷單體4 20%、顏料3 27%、填料3 27%、防沉劑等5 25%。其制備方法為分別稱取相應的鋁溶膠、硅烷単體、顔料、填料及防沉劑等進行混合、高速分散、研磨，做為a組分；稱取相應分量的硅溶膠，做為b組分；將a組分和b組分進行混合并靜置熟化，即得所述的瓷膜涂料。該專利在無機成膜原料的基礎上，通過改變硅烷單體的種類和比例來調節(jié)涂料的疏水特性，實現(xiàn)與輸運裝置粘結性好，又能有效地防止結垢或生物固著，同時，具有搪瓷表面的品質、裝飾性強、安全無毒性，是ー種環(huán)保型涂料。中國專利公開號CN1503767涉及ー種通過濕-化學エ藝用顆粒尺寸在3nm到IOOnm之間的結晶納米顆粒在金屬、陶瓷、搪瓷或者玻璃襯底上制造多孔陶瓷層的方法，還涉及通過向用作多孔陶瓷層的支撐層的孔中引入第二組分實現(xiàn)的該多孔陶瓷層的功能化。多孔陶瓷層可以用疏水的、親水的、防塵的和防腐的試劑進行填充，這些試劑是保留在襯底內的或者是依據需要后續(xù)提供的；或者，該多孔陶瓷層裝有以特定劑量的方式釋放到空調空氣中的殺菌劑、香味劑、香水或者吸入劑。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層及其 制備方法，該膜層具有自潔、防污、疏水的功能特點，可廣泛應用于地鐵、隧道、建筑物外墻等建筑的裝飾，滿足市場對具有自潔凈、防沾污、疏水性的搪瓷材料的需求，該制備方法操作簡單，成本低。本發(fā)明的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其按體積百分比包括ο. Γιο%的成膜劑、10 75%的共溶剤、O. 5 10%的催化劑、5 70%的疏水劑。所述的成膜劑為正硅酸こ酯；所述的共溶劑為無水こ醇；所述的催化劑為氨水或鹽酸中的一種或兩種的組合；所述的疏水劑為有機硅烷。所述的催化劑由氨水和鹽酸二者組成，氨水與鹽酸的體積百分比優(yōu)選為80 98% 2 20%，最優(yōu)選為94% 6%，其中氨水的質量濃度23% 28%，鹽酸的質量濃度359^40%。所述的成膜劑優(yōu)選為2飛％，最優(yōu)選為3. 5%。所述的共溶劑優(yōu)選為3(Γ55%，最優(yōu)選為53%。所述的催化劑優(yōu)選為2. 5 4%，最優(yōu)選為3. 5%。所述的疏水劑優(yōu)選為2(Γ50，最優(yōu)選為40%。本發(fā)明的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層的制備方法，包括(I)按照以下各組分的體積百分比稱取各原料
成膜劑0.1 10%
共溶剤10-75%
催化劑0.5 10%
疏水劑5 70%(2)將稱取的共溶劑和催化劑混合，攪拌2 10min后密封，攪拌3(T240min;然后滴加成膜劑，在滴加的過程中一直保持磁力攪拌，滴加完畢，攪拌4(Tl80min，得混合溶液；(3)將搪瓷基板放置上述混合溶液中浸泡3(Tl20min，取出搪瓷基板于5(T70°C保溫5(Tl50min，然后將保溫后的搪瓷基板快速放入干燥氣氛中自然冷卻后，再于陰涼干燥(溫度10 25°C，濕度RH25—50%)處放置2 10天，之后置于疏水劑中浸泡2 8h，晾干后，即可得到具有自潔防污疏水效果的搪瓷樣板。本發(fā)明的成膜劑是配方中的最主要成分，也是本發(fā)明技術中最重要的ー步，主要作用為在搪瓷基板表面形成ー層具有納米級別的粗糙薄膜結構。此成分在本發(fā)明實驗中體積百分比含量應控制在2飛％，實驗證明過少的用量，形成的涂層太薄，疏水效果不好；過多的用量，形成的涂層過厚，也會影響疏水效果。這是因為正硅酸こ酯是構成疏水薄膜的最主要成分，它的含量決定了 SiO2納米-微米顆粒在搪瓷表面所能形成的薄膜厚度，薄膜太薄，材料表面無法得到足夠的粗糙度，而如果薄膜過厚，薄膜對搪瓷表面的附著力不夠，也無法得到很好的疏水性能。本發(fā)明中的共溶劑，由于正硅酸こ酯和水不易以任意比混合，一般選用こ醇作共溶剤，以獲得金屬醇鹽和水的均相溶液，保證 正硅酸こ酯的水解反應在分子水平上進行，乙醇作為溶劑，它的含量直接影響到凝膠中的SiO2網絡結構，水和こ醇的比例適當，成膜過程中的水解、縮聚反應才能順利完成，SiO2納米-微米顆粒才能在材料表面形成粗糙的薄膜結構，以利于-CH3基團的引入，繼而才能增強搪瓷表面的疏水性能。在本發(fā)明中它的體積百分比含量范圍在40 50%。本發(fā)明中的催化劑，體積百分含量控制在2. 5 4%，催化劑的含量并不是越多越好，因為在溶膠-凝膠法的溶膠制備過程中，催化劑的含量會影響到溶膠的穩(wěn)定性，過多或過少，制得的溶膠體系都不會很穩(wěn)定，從而影響到最后的成膜過程，這將導致無法形成穩(wěn)定的SiO2薄膜，也就無法得到很好的疏水性能。本發(fā)明中的疏水劑，利用它在體系中引入具有疏水特性的-CH3基團，從經濟性，節(jié)能環(huán)保方面考慮，本發(fā)明中它的體積百分含量控制在2(Γ50%。普通搪瓷表面是親水性的，但是在ー些特殊的場合中，這種表面性質會影響搪瓷材料的使用壽命和使用效果，如搪瓷表面有水吸附后，會產生水潰，很容易吸附ー些有害物質，引起搪瓷表面的腐蝕。如果可以使得聚集在搪瓷材料表面上的液體及時流走，那么它可以帶走搪瓷表面的灰塵等顆粒，這樣就起到了自潔的功效；同時也避免了為細菌等微生物提供滋生的場所，起到一個抗污和環(huán)境保護的作用。這類搪瓷材料應用到公共設施場所中能保證ー個良好的使用環(huán)境，并且能降低材料的維護成本和延長材料的使用壽命。本發(fā)明通過采用溶膠-凝膠法，以正硅酸四こ酯(TEOS)為前驅體，結合有機硅烷(DDS)在搪瓷材料表面制備出含SiO2顆粒的薄膜，降低搪瓷材料表面能，從而使得表面液滴的接觸角増大，使搪瓷表面具有自潔、防污的功能，同時具有疏水的特性。可廣泛應用于日常生活(高檔廚具)、醫(yī)療、建筑(高檔裝飾)，以及各エ業(yè)方面。現(xiàn)有發(fā)明實現(xiàn)了自潔、防污、疏水等功能特性中的ー種或者兩種，而本發(fā)明技術方案具有自潔、防污、疏水的功能特點，可有效填補現(xiàn)有專利技術的空缺，滿足市場對具有自潔凈、防沾污、疏水性的搪瓷材料的需求。有益效果(I)搪瓷材料表面通過正硅酸こ酯為前驅體，結合有機硅烷的疏水性處理，可以大幅度通過提高搪瓷材料表面對水的接觸角，提高搪瓷材料表面的疏水性能，使搪瓷材料從親水性材料轉變?yōu)槭杷圆牧希?2)搪瓷材料表面通過正硅酸こ酯為前驅體，結合有機硅烷的疏水性處理，搪瓷材料的耐酸化學穩(wěn)定性仍然十分優(yōu)良，其表面的耐酸性符合一般搪瓷材料性能要求；
(3)搪瓷表面疏水處理，光澤度，白度沒有明顯改變，符合一般搪瓷材料光學性能的要求；(4)搪瓷材料表面通過正硅酸こ酯為前驅體，結合有機硅烷的疏水性處理后，搪瓷材料的密著強度仍然十分優(yōu)良，符合一般搪瓷材料密著性能要求；(5)搪瓷材料表面通過正硅酸こ酯為前驅體，結合有機硅烷的疏水性處理，搪瓷表面的疏水性能隨時間的延長，略有下降，12個月后，接觸角為97. I度，仍然具有良好的疏水 生倉泛;
(6)通過正硅酸こ酯為前驅體，結合有機硅烷的疏水性處理后搪瓷材料表面，結構十分致密，物理化學性能優(yōu)良。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進ー步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明所述的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。表I鈦白搪瓷的化學組成范圍(重量％)
權利要求
1.ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其按體積百分比包括0. Γιο%的成膜劑、1(Γ75%的共溶剤、O. 5 10%的催化劑、5 70%的疏水劑；所述的成膜劑為正硅酸こ酯；所述的共溶劑為無水こ醇；所述的催化劑為氨水或鹽酸中的一種或兩種的組合；所述的疏水劑為有機娃燒。
2.根據權利要求I所述的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其特征在于所述的催化劑由氨水和鹽酸二者組成，氨水與鹽酸的體積百分比為8(Γ98% 2 20%，其中氨水的質量濃度23% 28%，鹽酸的質量濃度35% 40%。
3.根據權利要求2所述的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其特征在于氨水與鹽酸的體積百分比為94% 6%。
4.根據權利要求I所述的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其特征在于所述的成膜劑的體積百分比為2 5% ;所述的共溶劑的體積百分比為3(Γ55%。
5.根據權利要求I所述的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其特征在于所述的催化劑的體積百分比為2. 5 4% ;所述的疏水劑的體積百分比為2(Γ50%。
6.根據權利要求I或4所述的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其特征在于所述的成膜劑的體積百分比為3. 5% ;所述的共溶劑的體積百分比為53%。
7.根據權利要求I或5所述的ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層，其特征在于所述的催化劑的體積百分比為3. 5% ;所述的疏水劑的體積百分比為40%。
8.ー種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層的制備方法，包括 (O按照以下各組分的體積百分比稱取各原料成膜劑0.1~10%共溶劑IO 75%催化劑0.5 10%疏水劑5 70% (2)將稱取的共溶劑和催化劑混合，攪拌2 10min后密封，攪拌3(T240min;然后滴加成膜劑，滴加完畢，攪拌4(Tl80min，得混合溶液； (3)將搪瓷基板放置上述混合溶液中浸泡3(Tl20min，取出搪瓷基板于5(T70°C保溫5(Tl50min，然后將保溫后的搪瓷基板放入干燥氣氛中自然冷卻后，再于陰涼干燥處放置2^10天，之后置于疏水劑中浸泡2 8h，晾干后，即可。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于搪瓷表面的自潔防污疏水膜層及其制備方法，該疏水膜層按體積百分比包括0.1~10%的成膜劑、10~75%的共溶劑、0.5~10%的催化劑、5~70%的疏水劑；其制備方法，包括(1)將稱取的共溶劑和催化劑混合，密封，攪拌后滴加成膜劑，得混合溶液；(2)將搪瓷基板放置上述混合溶液中浸泡，取出搪瓷基板于50~70℃保溫，然后將保溫后的搪瓷基板放入干燥氣氛中自然冷卻后，再于陰涼干燥處放置，最后置于疏水劑中浸泡，晾干后，即可。本發(fā)明的膜層具有自潔、防污、疏水的功能特點，滿足市場對具有自潔凈、防沾污、疏水性的搪瓷材料的需求，應用前景廣闊，本發(fā)明的制備方法操作簡單，成本低。
文檔編號C23C26/00GK102675934SQ20121013819
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權日2012年5月7日
發(fā)明者李勝春, 沈浩, 蔣偉忠 申請人:東華大學