[发明专利]一种基于致密堆积理论设计的超憎水涂料及其制备方法

说明书

本发明涉及超憎水涂料技术领域，具体涉及一种基于致密堆积理论设计的超憎水涂料及其制备方法。本发明提供了一种基于致密堆积理论设计的超憎水涂料及其制备方法，采用改性剂对球状填料进行疏水改性后，通过不同粒径的球状颗粒搭配，实现超憎水涂料中固填料的致密堆积，构建出涂层表面的粗糙结构，并采用低表面能成膜物与固填料进行混合，实现对球状颗粒的包覆，从而构建出内外结构均一的超憎水涂层。本发明解决了超憎水涂层在机械外力或户外使用过程中因低表面能物质或粗糙结构被破坏，导致裸露的新表面憎水性下降或丧失的难题，提高了超憎水涂层的耐久性。

技术领域

本发明涉及超憎水涂料技术领域，具体涉及一种基于致密堆积理论设计的超憎水涂料及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在自然界中，许多植物的叶片表面、水禽羽毛等都表现出超疏水性，其中最典型的代表就是“荷叶效应”。荷叶表面的低表面能蜡状物质和乳突状的粗糙结构一方面减少了水滴与荷叶表面的接触面积，在表面张力的作用下，水滴在其表面更倾向于呈球状存在，从而表现出超憎水效果；另一方面低表面能蜡状物质的存在使污秽物在其表面不易牢固附着，极易被滚落的水珠带走，从而实现自清洁的效果。近年来，超憎水表面因其独特的超憎水性能和自清洁性能在建筑、腐蚀防护、生物医药、管道运输等各行业领域都表现出广阔的应用前景。

基于超憎水表面的特殊结构，低表面能和微纳粗糙结构是构建超疏水表面的两个重要参数。一般采用的构建超憎水表面的方法包括：(1)在低表面能基材表面构造出微米或纳米级的微观粗糙结构，(2)降低已具有微纳粗糙结构表面的表面能。具体包括溶胶-凝胶法、相分离法、刻蚀法、沉积法及模板法等。但这些制备方法普遍存在工艺繁琐，成本高昂、制备量少、无法规模化生产使用等问题。例如刻蚀法往往对基材种类(如铜、铁和玻璃等)有特殊限定；相分离法通常对组分也有要求或是需要使用大量的溶剂；模版法工艺繁琐，涉及模版的选取与去除等步骤。

通过在低表面能材料内部掺入填料的方式构建涂层表面的微纳粗糙结构，从而实现超憎水涂料制备的方法具有工艺简单、成本低廉、可批量化制备等优点，具备商业化推广应用的前景。但这种方法制备的超憎水涂层在外力破坏下或户外使用过程中易出现低表面能物质流失或者表面微纳粗糙结构被破坏的现象，致使涂层超憎水性能下降甚至丧失，影响其长期使用效果。因此，提高超憎水涂层的耐久性，使其满足实际的现场使用需求已成为实现超憎水涂料工业化进程的关键因素。

目前常用的改善超憎水涂层耐久性的方法主要有以下三种：一是制备自修复型超憎水涂层，在涂层被破坏时其可再次恢复性能，主要通过微纳粗糙结构的重筑或者低表面能物质向表面的迁移来实现；二是在涂层与基材或者涂层各组分之间引入共价键，增加涂层与基材的作用力，以此提高涂层的耐久性；三是使用胶黏剂，增加涂层中各组分间及其与基材的粘附力。但自修复型超憎水涂层的使用一般需要特定的环境条件比如温度诱导、红外光诱导等来实现超憎水性的恢复，从而导致涂层的应用环境、应用场景受限；引入共价键或粘合层的方法增强了涂层中各组分及涂层与基材的附着力，在一定程度上提高了超憎水涂层的耐久性，但无法抵抗刀刮等强外力对涂层的破坏作用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于致密堆积理论设计的超憎水涂料及其制备方法。所述超憎水涂料可实现微纳结构和低表面能成分均一的贯穿于涂料的整个体系，达到涂层内外结构一致的效果，即使表面结构被外力破坏后，暴露出来的新表面仍具有与原表面一样的结构，从而实现提高涂层耐久性的目的。

本发明中采用改性剂对球状填料进行疏水改性后，通过不同粒径的球状颗粒搭配，实现超憎水涂料中固填料的致密堆积，构建出涂层表面的粗糙结构，并采用低表面能成膜物与固填料进行混合，实现对球状颗粒的包覆，从而构建出内外结构均一的超憎水涂层。本发明解决了超憎水涂层在机械外力或户外使用过程中因低表面能物质或粗糙结构被破坏，导致裸露的新表面憎水性下降或丧失的难题，提高了超憎水涂层的耐久性。