阅读说明：本技术 一种超亲水硅质纳米微结构增透涂料及其制备和使用方法 (Super-hydrophilic silicon nano-microstructure anti-reflection coating and preparation and use methods thereof ) 是由 王元兵 余逊 王姝淇 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超亲水硅质纳米微结构增透涂料及其制备和使用方法。该超亲水硅质纳米微结构增透涂料,按重量份数,包括如下原料：聚合物微球1～20份、聚硅氮烷5～30份、有机溶剂50～94份。本发明将上述涂料涂布到基材表面,经高温烧结制孔后得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层,该涂层具有更低的亲水角度、更好的硬度、更高的透光率、耐老化、耐酸碱及耐磨等优异性能；通过改变聚合物微球的粒径大小,可以获得亲水效果及增透效果不同的涂层材料,可适用于自清洁、防雾、防污、油水分离及光学、半导体电子学等领域；本发明的制备工艺简单,有利于实现工业化连续生产。(The invention discloses a super-hydrophilic silicon nano-microstructure anti-reflection coating and a preparation method and a use method thereof. The super-hydrophilic silicon nano-microstructure anti-reflection coating comprises the following raw materials in parts by weight: 1-20 parts of polymer microspheres, 5-30 parts of polysilazane and 50-94 parts of organic solvent. According to the invention, the coating is coated on the surface of a substrate, and a super-hydrophilic silicon nano microstructure anti-reflection coating is obtained after high-temperature sintering hole making, and the coating has the excellent performances of lower hydrophilic angle, better hardness, higher light transmittance, aging resistance, acid and alkali resistance, wear resistance and the like; by changing the particle size of the polymer microspheres, coating materials with different hydrophilic effects and anti-reflection effects can be obtained, and the coating materials can be suitable for the fields of self-cleaning, anti-fogging, anti-fouling, oil-water separation, optics, semiconductor electronics and the like; the preparation process is simple and is beneficial to realizing industrial continuous production.)

一种超亲水硅质纳米微结构增透涂料及其制备和使用方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，特别涉及一种超亲水硅质纳米微结构增透涂料及其制备和使用方法。

背景技术

超亲水涂层和水之间存在较强的相互作用力，将水滴滴在涂层表面可以观察到其在很短时间内能够完全铺展，使水的接触角等于或者接近于0°，在自清洁、防雾、防污、油水分离等领域中有着十分广阔的应用前景。

目前实现涂层超亲水的方法主要有两大类：其一是在高表面能物质的表面上构造粗糙度实现超亲水，其二是光致实现超亲水；超亲水涂层的主要制备方法：如溶胶-凝胶法、气相沉积法、模板法、相分离法和层层自组装法等。

超亲水涂层在实际应用过程中仍然受到很多因素的制约，主要包括以下几方面内容：①目前常用的超亲水涂层制备工艺复杂、设备昂贵，难以实现大面积超亲水涂层的制备；②超亲水涂层受外部环境的影响较大(如光、热、氧等)，长期使用亲水性能会逐渐变差；③超亲水涂层的长效性是限制其推广应用的重要因素，由于超亲水涂层具有较高的表面能，易向低表面能方向转化达到稳定态，致使其亲水性能丧失；④超亲水表面的耐磨性能很差，这也是制约其推广使用的另一个重要因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超亲水硅质纳米微结构增透涂料及其制备和使用方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供的一种超亲水硅质纳米微结构增透涂料，按重量份数，包括如下原料：聚合物微球1～20份、聚硅氮烷5～30份、有机溶剂50～94份。

优选的，所述聚合物微球选自聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、炭黑微球中的一种或多种。

优选的，所述聚合物微球的平均粒径为0.01～5.0μm。

进一步优选的，所述聚合物微球的平均粒径为0.01～1.0μm。

优选的，在所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料中聚合物微球的用量为5～15份。

优选的，所述聚硅氮烷选自无机聚硅氮烷、有机聚硅氮烷和改性聚硅氮烷中的一种或多种。

进一步优选的，所述无机聚硅氮烷为全氢聚硅氮烷；所述有机聚硅氮烷选自甲基聚硅氮烷、二甲基聚硅氮烷、甲基乙烯基聚硅氮烷中的一种或多种；所述改性聚硅氮烷选自乙烯基硅油改性聚硅氮烷、含氟改性聚硅氮烷、硼改性聚硅氮烷和过渡金属元素改性聚硅氮烷中的一种或多种。

优选的，在所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料中聚硅氮烷的用量为5～25份。

优选的，所述聚硅氮烷的数均分子量为150～150000g/moL。

优选的，所述有机溶剂选自乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、D40溶剂油、乙酸丁酯、正辛烷、环己烷、甲基环己烷、正丁醚和四氢呋喃中的一种或多种；

优选的，所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料还包含有机助剂，所述有机助剂选自流平剂和分散剂中的一种或两种。

进一步优选的，在所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料中流平剂的用量为0.1～10份。

更进一步优选的，在所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料中流平剂的用量为0.1～5份。

进一步优选的，所述流平剂选自流平剂BYK-333、流平剂BYK-306和流平剂Tego-450中的一种或多种。

进一步优选的，在所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料中分散剂的用量为0.1～10份。

更进一步优选的，在所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料中分散剂的用量为0.1～5份。

进一步优选的，所述分散剂选自分散剂BYK-130、分散剂BYK-170、分散剂BYK-P104S和分散剂BYK-2009中的一种或多种。

优选的，所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料，按重量份数，包括如下原料：聚苯乙烯微球6～8份、含氟改性聚硅氮烷5～20份、有机溶剂74～87份、流平剂0.15份、分散剂0.3份。

优选的，所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料，按重量份数，包括如下原料：聚甲基丙烯酸甲酯微球8份、乙烯基硅油改性聚硅氮烷10～20份、有机溶剂72～82份、流平剂0.1份、分散剂0.3份。

优选的，所述超亲水硅质纳米微结构增透涂料，按重量份数，包括如下原料：炭黑微球8～10份、二甲基聚硅氮烷15～20份、有机溶剂70～77份、流平剂0.2份、分散剂0.25份。

第二方面，本发明提供的一种如第一方面所述的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的制备方法，包括如下步骤：

将聚合物微球、聚硅氮烷、有机溶剂以及有机助剂混合分散均匀即得。

优选的，所述混合分散的方法选自机械搅拌法、超声分散法和球磨分散法中的一种或多种。

优选的，所述混合分散时间为15～60min。

第三方面，本发明提供的一种如第一方面所述的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的使用方法，包括如下步骤：

将超亲水硅质纳米微结构增透涂料涂布在基材表面，120～200℃烘烤固化，最后通过高温烧结来排除聚合物微球，得到具有超亲水效果的硅质纳米微结构增透涂层。

优选的，所述涂布的方法选自浸涂、淋涂、擦涂、刮涂、辊涂和喷涂中一种或多种。

进一步优选的，所述涂布的方法为喷涂。

优选的，所述基材选自玻璃、光学镜片、大理石、不锈钢和马口铁中的一种或多种。

优选地，所述烘烤固化的温度为150℃，固化时间为1～3h；

优选地，聚合物微球高温烧结的温度为400～500℃，时间为1～2h。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的超亲水硅质纳米微结构增透涂料主要由聚合物微球、聚硅氮烷和有机溶剂制备得到，将上述涂料涂布到基材表面，经高温烧结制孔后得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层，该涂层具有更低的亲水角度、更好的硬度、更高的透光率、耐老化、耐酸碱及耐磨等优异性能；通过改变聚合物微球的粒径大小，可以获得亲水效果及增透效果不同的涂层材料，可适用于自清洁、防雾、防污、油水分离及光学、半导体电子学等领域；

(2)本发明的超亲水硅质纳米微结构增透涂料制备工艺简单，有利于实现工业化连续生产。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

本实施例提供的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的制备和使用方法，包括如下步骤：

(1)称取下述按重量份数的原料：聚苯乙烯微球6份、含氟改性聚硅氮烷20份、流平剂BYK-333 0.15份、分散剂BYK-130 0.3份、乙酸丁酯74份，其中，聚苯乙烯微球的平均粒径为0.1μm；

(2)将聚苯乙烯微球加入到乙酸丁酯中，然后在上述混合溶液中加入含氟改性聚硅氮烷，最后加入流平剂BYK-333及分散剂BYK-130，采用高速搅拌机以1000rpm的搅拌速率搅拌30min，至聚苯乙烯微球混合分散均匀，得到超亲水硅质纳米微结构物增透涂料；

(3)将步骤(2)制备得到的超亲水硅质纳米微结构增透涂料喷涂在玻璃表面，在150℃条件下固化3h；然后冷却至室温，最后在450℃的高温下烧结1h得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层。

实施例2

本实施例提供的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的制备和使用方法，包括如下步骤：

(1)称取下述按重量份数的原料：聚甲基丙烯酸甲酯微球8份、含氟改性聚硅氮烷20份、流平剂BYK-306 0.1份、分散剂BYK-130 0.3份、乙酸丁酯72份，其中，聚甲基丙烯酸甲酯微球的平均粒径为0.1μm；

(2)将聚甲基丙烯酸甲酯微球加入到乙酸丁酯中，然后在上述混合溶液中加入乙烯基硅油改性聚硅氮烷，最后加入流平剂BYK-306及分散剂BYK-130，采用高速搅拌机以1500rpm的搅拌速率搅拌30min，至聚甲基丙烯酸甲酯微球混合分散均匀，得到超亲水硅质纳米微结构物增透涂料；

(3)将步骤(2)制备得到的超亲水硅质纳米微结构增透涂料喷涂在玻璃表面，在180℃条件下固化1h；然后冷却至室温，最后在500℃的高温下烧结1h得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层。

实施例3

本实施例提供的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的制备和使用方法，包括如下步骤：

(1)称取下述按重量份数的原料：炭黑微球10份、二甲基聚硅氮烷20份、流平剂Tego-450 0.2份、分散剂BYK-P104S 0.25份、乙酸丁酯70份，其中，炭黑微球的平均粒径为0.2μm；

(2)将炭黑微球加入到乙酸丁酯中，然后在上述混合溶液中加入二甲基聚硅氮烷，最后加入流平剂Tego-450及分散剂BYK-P104S，采用高速搅拌机以2500rpm的搅拌速率搅拌30min，至炭黑微球混合分散均匀，得到超亲水硅质纳米微结构物增透涂料；

(3)将步骤(2)制备得到的超亲水硅质纳米微结构增透涂料喷涂在玻璃表面，在150℃条件下固化3h；然后冷却至室温，最后在500℃的高温下烧结1h得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层。

实施例4

本实施例提供的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的制备和使用方法，包括如下步骤：

(1)称取下述按重量份数的原料：聚苯乙烯微球8份、含氟改性聚硅氮烷5份、流平剂BYK-333 0.15份、分散剂BYK-130 0.3份、乙酸丁酯87份，其中，聚苯乙烯微球的平均粒径为0.1μm；

(2)将聚苯乙烯微球加入到乙酸丁酯中，然后在上述混合溶液中加入含氟改性聚硅氮烷，最后加入流平剂BYK-333及分散剂BYK-130，采用高速搅拌机以1000rpm的搅拌速率搅拌30min，至聚苯乙烯微球混合分散均匀，得到超亲水硅质纳米微结构物增透涂料；

(3)将步骤(2)制备得到的超亲水硅质纳米微结构增透涂料喷涂在玻璃表面，150℃条件下固化3h；然后冷却至室温，最后在450℃的高温下烧结1h得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层。

实施例5

本实施例提供的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的制备和使用方法，包括如下步骤：

(1)称取下述按重量份数的原料：聚甲基丙烯酸甲酯微球8份、乙烯基硅油改性聚硅氮烷10份、流平剂BYK-306 0.1份、分散剂BYK-130 0.3份、乙酸丁酯82份，其中，聚甲基丙烯酸甲酯微球的平均粒径为0.1μm；

(2)将聚甲基丙烯酸甲酯微球加入到乙酸丁酯中，然后在上述混合溶液中加入乙烯基硅油改性聚硅氮烷，最后加入流平剂BYK-306及分散剂BYK-130，采用高速搅拌机以1500rpm的搅拌速率搅拌30min，至聚甲基丙烯酸甲酯微球混合分散均匀，得到超亲水硅质纳米微结构物增透涂料；

(3)将步骤(2)制备得到的超亲水硅质纳米微结构增透涂料喷涂在玻璃表面，在180℃条件下固化1h；然后冷却至室温，最后在500℃的高温下烧结1h得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层。

实施例6

本实施例提供的超亲水硅质纳米微结构增透涂料的制备和使用方法，包括如下步骤：

(1)称取下述按重量份数的原料：炭黑微球8份、二甲基聚硅氮烷15份、流平剂Tego-4500.2份、分散剂BYK-P104S 0.25份、乙酸丁酯77份，其中，炭黑微球的平均粒径为0.2μm；

(2)将炭黑微球加入到乙酸丁酯中，然后在上述混合溶液中加入二甲基聚硅氮烷，最后加入流平剂Tego-450及分散剂BYK-P104S，采用高速搅拌机以2500rpm的搅拌速率搅拌30min，至炭黑微球混合分散均匀，得到超亲水硅质纳米微结构物增透涂料；

(3)将步骤(2)制备得到的超亲水硅质纳米微结构增透涂料喷涂在玻璃表面，150℃条件下固化3h；然后冷却至室温，最后在500℃的高温下烧结1h得到超亲水硅质纳米微结构增透涂层。

性能测试1

为了进一步说明本发明的有益效果，分别对上述实施例1～6中制备的超亲水硅质纳米微结构增透涂层附着力、硬度、水接触角、透光率、耐沾污性、耐老化测试、耐酸碱及耐磨(钢丝绒)等性能参数进行检测，检测结果如表1所示。

实施例1～6制备的超亲水硅质纳米微结构增透涂层的各项性能参数按照以下方法测定：

附着力：按照GB/T17748-1999标准进行测定。

铅笔硬度：按照ASTMD3363-00标准进行测定。

水接触角：采用上海中晨接触角测量仪JC2000D2进行测定。

透光率：按照GB/T18915.1-2透过系数检测标准进行测定。

耐沾污性及耐酸碱测试：按照GB/T9755-2001标准进行测定。

耐老化测试：按照GB/T1865-1997标准进行测定。

耐磨性测试(钢丝绒)：按照GB/T1768-1979标准进行测定。

表1实施例1～6所得涂层的性能指标

由上表1可知，本发明的超亲水硅质纳米微结构增透涂层具有更低的亲水角度、更好的硬度、更高的透光率、耐老化、耐酸碱及耐磨等优异性能。

实施例7

称取下述按重量份数的原料：聚甲基丙烯酸甲酯微球1份、乙烯基硅油改性聚硅氮烷10份、流平剂BYK-306 0.1份、分散剂BYK-130 0.3份、乙酸丁酯89份，其中，聚甲基丙烯酸甲酯微球的平均粒径为0.1μm，然后按照实施例5的步骤(2)制得涂料，再按照实施例5的步骤(3)制得涂层。

实施例8

称取下述按重量份数的原料：聚甲基丙烯酸甲酯微球8份、乙烯基硅油改性聚硅氮烷30份、流平剂BYK-306 0.1份、分散剂BYK-130 0.3份、乙酸丁酯69份，其中，聚甲基丙烯酸甲酯微球的平均粒径为0.1μm，然后按照实施例5的步骤(2)制得涂料，再按照实施例5的步骤(3)制得涂层。

为了进一步说明本发明的有益效果，本发明按照性能测试1的方法对本实施例所得涂层的性能进行测试，测试结果如表2所示。

表2实施例7～8所得涂层的性能指标

实施例9

本实施例9依次采用平均粒径为0.01μm、0.05μm、0.5μm、1μm、5μm的聚苯乙烯微球来替换实施例1中平均粒径为0.1μm的聚苯乙烯微球，按照实施例1的方法制得涂料及涂层，为了进一步说明本发明的有益效果，本实施例还按照性能测试1的方法对本实施例所得涂层的性能进行测试，测试结果如表3所示。

表3实施例9所得涂层的性能指标

实施例10

为了进一步说明本发明的有益效果，分别将实施例1～6中的改性聚硅氮烷替换成铁改性改性聚硅氮烷，重复实施例1～6的步骤制成涂层，按照性能测试1的方法对所得涂层的性能进行测试，测试结果显示如下：

(1)附着力：0级；

(2)硬度：6H；

(3)水接触角：4～12°；

(4)透光率：不小于90％；

(5)耐沾污性：0级；

(6)2000h氙灯耐老化测试：外观无变化；

(7)耐酸性(5份硫酸浸泡48h)：表面无变化；

(8)耐碱性(饱和溶液浸泡48h)：表面无变化；

(9)耐磨性：不少于5000次。

可以理解的是，上述实施例中的改性聚硅氮烷均通过现有技术制得。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。