阅读说明：本技术 一种疏水涂层材料及其制备方法 (Hydrophobic coating material and preparation method thereof ) 是由 鱼银虎 沈妙荣 李若琳 崔海婷 杨斌武 刘赵荣 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种疏水涂层材料及其制备方法,包括以下步骤：正硅酸乙酯与水的体积比为4:1,无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为10:1,通过恒温磁力搅拌器在水解温度50℃-60℃搅拌混合；取正硅酸乙酯、水、四氢呋喃、无水乙醇的体积比为4:1:0.65:10,先把无水乙醇、水和正硅酸乙酯放入烧杯中在恒温磁力搅拌器中50℃-60℃搅拌30min,随后加入四氢呋喃后搅拌15min得透明疏水溶胶,使用提拉膜法制备疏水涂层；薄膜静态接触角θ＝54.5°,不用达到理论接触角θ＝90°的临界点,即可疏水；不需要在使接触角增大而达到疏水的目的；形成溶胶时即可使用于反光镜或玻璃上,不影响视线且溶胶形成凝胶的时间变长,溶胶不用一次性全使用完,可分批使用,节省成本。(The invention discloses a hydrophobic coating material and a preparation method thereof, and the hydrophobic coating material comprises the following steps: stirring and mixing ethyl orthosilicate and water in a volume ratio of 4:1 and absolute ethyl alcohol and ethyl orthosilicate in a volume ratio of 10:1 at a hydrolysis temperature of 50-60 ℃ by a constant-temperature magnetic stirrer; taking ethyl orthosilicate, water, tetrahydrofuran and absolute ethyl alcohol according to the volume ratio of 4:1:0.65:10, firstly putting the absolute ethyl alcohol, the water and the ethyl orthosilicate into a beaker, stirring for 30min at 50-60 ℃ in a constant-temperature magnetic stirrer, then adding the tetrahydrofuran, stirring for 15min to obtain transparent hydrophobic sol, and preparing a hydrophobic coating by using a pulling membrane method; the static contact angle theta of the film is 54.5 degrees, and the film can be hydrophobic without reaching the critical point of the theoretical contact angle theta of 90 degrees; the purpose of hydrophobic property can be achieved without increasing the contact angle; when the sol is formed, the sol can be used on a reflector or glass, the sight is not affected, the time for forming the gel by the sol is prolonged, the sol is not used up at one time, the sol can be used in batches, and the cost is saved.)

一种疏水涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及制备疏水涂层技术领域，具体为一种疏水涂层材料及其制备方法。

背景技术

疏水涂层具有防尘、自洁、防腐蚀、防雾、减阻等功能，可应用于各个领域，要制备疏水涂层，理论上，接触角θ>90°，一般会具有一定的疏水性能，而接触角θ>150°，则会具有超疏水性能，所以接触角θ＝90°是疏水的临界角度，而接触角θ＝150°是超疏水的临界角度，正硅酸乙酯是制备疏水溶胶的前驱体，也是一种可以制备耐高低温、电气绝缘、耐臭氧、耐辐射、难燃、憎水、耐腐蚀等兼备一体的无机材料和有机材料，因而可以广泛应用于各行各业；除了正硅酸乙酯来制备疏水薄膜，也还可以用硅酸甲酯(TMOS)来制备，但是由于其本身有毒且制成薄膜比较困难，总的来说，还是正硅酸乙酯(TEOS)比硅酸甲酯(TMOS)容易制备成疏水溶胶，所以本实验采用正硅酸乙酯制备疏水涂层，制备疏水涂层/材料的方法主要有以下几种：溶胶-凝胶法、化学刻蚀法、电化学沉积法、自助装法、喷涂法、激光法，制备疏水涂层/材料的方法有很多，但都是以接触角θ>90°为临界点和接触角θ>150°来研究疏水涂层和疏水材料且制备条件大多都比较苛刻，成本高和不能大规模工业化生产，存在很多局限性，为此，提出一种疏水涂层材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种疏水涂层材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种疏水涂层材料，包括以下成分：正硅酸乙酯、水、无水乙醇和四氢呋喃。

另外，本发明还提供了一种疏水涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、正硅酸乙酯与水的体积比为4:1，无水乙醇的体积是正硅酸乙酯的10倍，在恒温磁力搅拌器中在水解温度下50℃-60℃搅拌混合；

S2、搅拌30-35min后，加入四氢呋喃继续搅拌15-20min，无水乙醇与四氢呋喃体积比为15:1；

S3、将载玻片放置到溶胶中，缓慢拉出，自然晾干成膜；

S4、水滴落在载玻片上使用接触角测量仪测量接触角。

作为本技术方案的进一步优选的：在S1中，所述正硅酸乙酯和水在温度50℃-60℃下进行水解反应，生成硅醇和乙醇，其次所述硅醇进行缩合反应，所述正硅酸乙酯微溶于水，需用醇类或者醚类为共溶剂辅助正硅酸乙酯和水进行水解反应。

作为本技术方案的进一步优选的：在S2中，醇和醚在正常情况下不发生任何化学反应，所述四氢呋喃不影响乙醇在整个反应中的作用，所述四氢呋喃和无水乙醇一起起到促进水解。

作为本技术方案的进一步优选的：所述四氢呋喃是五元环的醚，三元环、四元环是在温度低时较容易开环，五元环和六元环不容易开环，所述四氢呋喃是五元环在本制备过程中只有50℃-60℃的温度下难以开环，所述四氢呋喃与硅醇为发生取代反应。

作为本技术方案的进一步优选的：所述四氢呋喃在制备反应中充当共溶剂和修饰改性剂。

作为本技术方案的进一步优选的：所述四氢呋喃修饰改性从Si-OH改性为Si-CH₃，由亲水基团转变为疏水基团。

作为本技术方案的进一步优选的：在S2中，加入四氢呋喃继续搅拌15-20min，搅拌快或慢能使疏水溶胶加快形成，减短制备的时间。

作为本技术方案的进一步优选的：所述四氢呋喃适量的添加，添加过多的四氢呋喃，溶胶过快的形成，溶胶的粒径大小容易发生改变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：取正硅酸乙酯、水、四氢呋喃、无水乙醇的体积比为4:1:0.65:10，先把无水乙醇、水和正硅酸乙酯放置入烧杯中在恒温磁力搅拌器中50℃-60℃搅拌30min，随后加入四氢呋喃后搅拌15min得透明疏水溶胶，使用提拉膜法制备疏水涂层；薄膜静态接触角θ＝54.5°，不用达到理论接触角θ＝90°的临界点，即可疏水；不需要在使接触角增大而达到疏水的目的；形成溶胶时即可使用于反光镜或玻璃上，不影响视线且溶胶形成凝胶的时间变长，溶胶不用一次性全使用完，可分批使用，节省成本；工艺及其简单、制备时间短，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的流程意图；

图2为本发明的样品的疏水效果图；

图3为本发明的水滴的运动轨迹图；

图4为本发明的样品接触角的计算示意图；

图5为本发明的在液体状态下(溶胶状态)的红外图谱；

图6为本发明的在固体状态下(凝胶状态)的红外图谱；

图7为本发明的XRD衍射图谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种疏水涂层材料，包括以下成分：正硅酸乙酯、水、无水乙醇和四氢呋喃。

另外，本发明还提供了一种疏水涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、正硅酸乙酯与水的体积比为4:1，无水乙醇的体积是正硅酸乙酯的10倍，在恒温磁力搅拌器中在水解温度下60℃搅拌混合；

S2、搅拌35min后，加入四氢呋喃继续搅拌20min，无水乙醇与四氢呋喃体积比为15:1；

S3、将载玻片放置到溶胶中，缓慢拉出，自然晾干成膜；

S4、水滴落在载玻片上使用接触角测量仪测量接触角。

本实施例中，具体的：在S1中，所述正硅酸乙酯和水在温度50℃下进行水解反应，生成硅醇和乙醇，其次所述硅醇进行缩合反应，所述正硅酸乙酯微溶于水，需用醇类或者醚类为共溶剂辅助正硅酸乙酯和水进行水解反应，正硅酸乙酯和水在无水乙醇和四氢呋喃为共溶剂进行水解、缩合反应得疏水溶胶，化学反应式如下：

反应1：(C₂H₅O)₄Si+4H₂O＝Si(OH)₄+4CH₃CH₂OH；

反应2:nSi(OH)₄→nSiO₂+2nH₂O；

反应3：

该反应式1为：水解反应；该反应式2为：缩合反应；该反应式3为：四氢呋喃修饰改性从Si-OH改性为Si-CH₃。

本实施例中，具体的：在S2中，醇和醚在正常情况下不发生任何化学反应，所述四氢呋喃不影响乙醇在整个反应中的作用，所述四氢呋喃和无水乙醇一起起到促进水解。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃是五元环的醚，三元环、四元环是在温度低时较容易开环，五元环和六元环不容易开环，所述四氢呋喃是五元环在本制备过程中只有50℃的温度下难以开环，所述四氢呋喃与硅醇为发生取代反应。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃在制备反应中充当共溶剂和修饰改性剂。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃修饰改性从Si-OH改性为Si-CH₃，由亲水基团转变为疏水基团。

本实施例中，具体的：在S2中，加入四氢呋喃继续搅拌15min，搅拌快或慢能使疏水溶胶加快形成，减短制备的时间。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃适量的添加，添加过多的四氢呋喃，溶胶过快的形成，溶胶的粒径大小容易发生改变。

实施例2

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种疏水涂层材料，包括以下成分：正硅酸乙酯、水、无水乙醇和四氢呋喃。

另外，本发明还提供了一种疏水涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、正硅酸乙酯与水的体积比为4:1，无水乙醇的体积是正硅酸乙酯的10倍，在恒温磁力搅拌器中在水解温度下50℃搅拌混合；

S2、搅拌30min后，加入四氢呋喃继续搅拌15min，无水乙醇与四氢呋喃体积比为15:1；

S3、将载玻片放置到溶胶中，缓慢拉出，自然晾干成膜；

S4、水滴落在载玻片上使用接触角测量仪测量接触角。

本实施例中，具体的：在S1中，所述正硅酸乙酯和水在温度60℃下进行水解反应，生成硅醇和乙醇，其次所述硅醇进行缩合反应，所述正硅酸乙酯微溶于水，需用醇类或者醚类为共溶剂辅助正硅酸乙酯和水进行水解反应，正硅酸乙酯和水在无水乙醇和四氢呋喃为共溶剂进行水解、缩合反应得疏水溶胶，化学反应式如下：

反应1：(C₂H₅O)₄Si+4H₂O＝Si(OH)₄+4CH₃CH₂OH；

反应2：nSi(OH)₄→nSiO₂+2nH₂O；

反应3：

该反应式1为：水解反应；该反应式2为：缩合反应；该反应式3为：四氢呋喃修饰改性从Si-OH改性为Si-CH₃。

本实施例中，具体的：在S2中，醇和醚在正常情况下不发生任何化学反应，所述四氢呋喃不影响乙醇在整个反应中的作用，所述四氢呋喃和无水乙醇一起起到促进水解。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃是五元环的醚，三元环、四元环是在温度低时较容易开环，五元环和六元环不容易开环，所述四氢呋喃是五元环在本制备过程中只有60℃的温度下难以开环，所述四氢呋喃与硅醇为发生取代反应。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃在制备反应中充当共溶剂和修饰改性剂。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃修饰改性从Si-OH改性为Si-CH₃，由亲水基团转变为疏水基团。

本实施例中，具体的：在S2中，加入四氢呋喃继续搅拌20min，搅拌快或慢能使疏水溶胶加快形成，减短制备的时间。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃适量的添加，添加过多的四氢呋喃，溶胶过快的形成，溶胶的粒径大小容易发生改变。

实施例3

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种疏水涂层材料，包括以下成分：正硅酸乙酯、水、无水乙醇和四氢呋喃。

另外，本发明还提供了一种疏水涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、正硅酸乙酯与水的体积比为4:1，无水乙醇的体积是正硅酸乙酯的10倍，在恒温磁力搅拌器中在水解温度下50℃搅拌混合；

S2、搅拌30min后，加入四氢呋喃继续搅拌15min，无水乙醇与四氢呋喃体积比为15:1；

S3、将载玻片放置到溶胶中，缓慢拉出，自然晾干成膜；

S4、水滴落在载玻片上使用接触角测量仪测量接触角。

本实施例中，具体的：在S1中，所述正硅酸乙酯和水在温度55℃下进行水解反应，生成硅醇和乙醇，其次所述硅醇进行缩合反应，所述正硅酸乙酯微溶于水，需用醇类或者醚类为共溶剂辅助正硅酸乙酯和水进行水解反应，正硅酸乙酯和水在无水乙醇和四氢呋喃为共溶剂进行水解、缩合反应得疏水溶胶，化学反应式如下：

反应1：(C₂H₅O)₄Si+4H₂O＝Si(OH)₄+4CH₃CH₂OH；

反应2：nSi(OH)₄→nSiO₂+2nH2O；

反应3：

该反应式1为：水解反应；该反应式2为：缩合反应；该反应式3为：四氢呋喃修饰改性从Si-OH改性为Si-CH₃。

本实施例中，具体的：在S2中，醇和醚在正常情况下不发生任何化学反应，所述四氢呋喃不影响乙醇在整个反应中的作用，所述四氢呋喃和无水乙醇一起起到促进水解。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃是五元环的醚，三元环、四元环是在温度低时较容易开环，五元环和六元环不容易开环，所述四氢呋喃是五元环在本制备过程中只有60℃的温度下难以开环，所述四氢呋喃与硅醇为发生取代反应。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃在制备反应中充当共溶剂和修饰改性剂。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃修饰改性从Si-OH改性为Si-CH₃，由亲水基团转变为疏水基团。

本实施例中，具体的：在S2中，加入四氢呋喃继续搅拌20min，搅拌快或慢能使疏水溶胶加快形成，减短制备的时间。

本实施例中，具体的：所述四氢呋喃适量的添加，添加过多的四氢呋喃，溶胶过快的形成，溶胶的粒径大小容易发生改变。

图1为将样品使用提拉膜法使溶胶均匀在载玻片上涂布，结合图2，可知小水滴在载玻片上运动自如，不留痕迹，达到疏水的目的。

图3为接触角的计算；通过接触角测量仪可直接得出该样品的静态接触角为54.5°；计算公式为：

或

图4为样品液体状态下测得的红外谱图；在3442cm-1处是醇羟基O-H的吸收峰，2084cm-1处是C-O-C键的吸收峰，1633cm-1处是水的H-O-H的吸收峰，1384cm-1处是甲基C-H吸收峰，1083cn-1处是Si-O的吸收峰，954cm-1处是Si-OH的吸收峰。

图5为样品固体状态下测得的红外图谱；在838cm-1处是Si-C的吸收峰，表明经缩合反应的SiO₂被修饰成了Si-CH₃，所以具有疏水性能。

图6为样品在X-射线衍射仪的衍射图谱；在2θ＝22.9°处有一个宽化的弥散峰且没有特定明显的衍射峰，所以样品的物相是无定形的非晶体。

工作原理或者结构原理，使用时，取正硅酸乙酯、水、四氢呋喃、无水乙醇的体积比为4:1:0.65:10，先把无水乙醇、水和正硅酸乙酯放置入烧杯中在恒温磁力搅拌器中50℃-60℃搅拌30min，随后加入四氢呋喃后搅拌15min得透明疏水溶胶，使用提拉膜法制备疏水涂层；薄膜静态接触角θ＝54.5°，不用达到理论接触角θ＝90°的临界点，即可疏水；不需要在使接触角增大而达到疏水的目的；形成溶胶时即可使用于反光镜或玻璃上，不影响视线且溶胶形成凝胶的时间变长，溶胶不用一次性全使用完，可分批使用，节省成本；工艺及其简单、制备时间短，成本低廉。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。