一种在玻璃表面构筑疏水涂层的方法及涂层物质

摘要

一种在玻璃表面构筑疏水涂层的方法及涂层物质，涉及将溶解有多面体齐聚倍半硅氧烷（POSS）的石油醚溶液分散于硅油中，然后采用直接涂覆法将其均匀涂覆于玻璃表面，经过煅烧在玻璃表面构建纳米二氧化硅微球，达到疏水效果。与其它制备疏水涂层的方法相比，本发明工艺简单，仅通过分散、涂覆、烧结，使玻璃表面的静态接触角大于120°，有望在汽车、航空、建筑等领域得到应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在玻璃表面构筑疏水涂层的方法及涂层物质。 

背景技术

固体表面的水湿性是非常重要的表面性质之一。在很多的实际应用中控制表面的水湿性都至关重要。固体表面的水湿性体现在水滴和该平坦表面的接触角。 

目前制备疏水表面的方法和途径主要有：化学刻蚀法、相分离法、电极沉积法、模板法、溶胶-凝胶法、等离子处理和自组装等，但是这些技术普遍存在步骤繁琐等缺陷，而且许多方法涉及到特殊的设备、苛刻的条件和较长的周期，难以实现大面积疏水涂层的制备，在一定程度上限制了其实际应用。 

中国专利CN102807803A公开了一种有机无机复合疏水涂层的制备方法，步骤包括改性二氧化硅纳米粒子制备、涂层溶胶制备和基底材料表面涂膜。中国专利CN102775567A公开了一种含POSS聚丙烯酸酯-聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法，反应产物具有较好的表面性能以及与基材之间较好的粘结性能，并且用于低表面能疏水涂层材料中，用于制备防冰雪、防污涂料。 

根据相关报道，提高材料表面疏水性可以从降低表面能以及增加表面粗糙程度两方面着手。多面体齐聚倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane，简称POSS），是一类具有笼形核-壳结构的有机/无机杂化分子,其核为类似SiO₂的笼形结构无机纳米粒子,粒经为1.5nm，壳通常为8个有机官能团。同时，POSS纳米粒子表面能低，用于涂层物质可显著降低材料表面自由能进而提高材料表面疏水性。因此，利用POSS的超疏水性和纳米尺度为实现材料表面的憎水功能提供了一种可能的途径。有机硅树脂具有优异的耐高低温性、耐老化性、憎水性、电绝缘性、难燃性和无毒无腐蚀性，尤其是其独特的憎水性和透气性，被认为是理想的防水涂料，广泛应用于建筑及材料表面的防水保护。将溶解有POSS的石油醚溶液分散于硅油中，有助于在玻璃表面实施涂覆以及后续热处理。将POSS溶解于石油醚中后与硅油混合，并且通过直接涂敷、烧结处理在玻璃表面形成二氧化硅纳米微球，进而提高材料表面憎水性的方法尚未见报道。 

发明内容

本发明的一种在玻璃表面构筑疏水涂层的方法，将异丁基POSS溶解于石油醚中，与甲基硅油混合后直接均匀涂覆于玻璃基板上，最后通过高温处理得到所需的玻璃疏水涂层，即POSS高温氧化后在玻璃表面形成二氧化硅纳米微球，通过静态接触角测试可以明显看到接 触角的提高。通过POSS单体的TG曲线可以发现后期残余量有升高的趋势，可以推测是倍半硅氧烷（POSS）被高温氧化成为二氧化硅纳米微球。 

所述的玻璃疏水涂层制备方法如下： 

1）对玻璃基底进行预处理，做法是在Piranha溶液(浓硫酸:30%过氧化氢溶液=3:1，V/V)中浸泡45min，然后用去离子水清洗，烘干。 

2）将0.01g异丁基POSS溶解于1ml石油醚中。 

3）将10ml甲基硅油加入到上述溶液中，搅拌均匀。 

4）采用直接涂覆法将上步制备的溶液在处理过的载玻片表面均匀涂膜。 

5）在空气中放置24h。 

6）放入马弗炉进行热处理，升温速率为5℃/min，升到800℃，保温2h。 

7）冲洗后对所得玻璃疏水涂层做接触角测试，同时对异丁基POSS单体做了热重分析。 

步骤2所述的异丁基POSS结构式如下结构式所示： 

其中R=—CH₂CH(CH₃)₂

步骤3所述甲基硅油为二甲基硅氧烷，结构式是 

与现有技术相比，本发明的优点有：1）通过简单的混合、涂覆、热处理制备方法得到接触角大于120°的疏水涂层，一定程度上克服了现有技术的不足；2）通过POSS单体的TG曲线可以发现后期残余量有升高的趋势，可以推测可能是二氧化硅纳米级微观结构的形成，因而多面体齐聚倍半硅氧烷的引入大大提高了材料表面憎水性；3）热处理温度接近玻璃软化温度，有望引入玻璃成型工艺。 

附图说明

图1为处理后玻璃表面接触角（热处理温度为800℃）。 

图2为处理后玻璃表面接触角（热处理温度为600℃）。 

图3是仅为硅油处理后的的玻璃表面接触角（热处理温度为400℃）。 

图4为处理前玻璃表面接触角。 

图5为异丁基POSS单体的TG曲线。 

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。 

实施例1： 

将干净的载玻片浸入热Piranha溶液(浓硫酸:30%过氧化氢溶液=3:1，V/V)中，放置45min，取出后用大量去离子水冲洗，再用电吹风吹干，待用。将0.01g异丁基POSS溶解于1ml石油醚中，然后加入10ml硅油，搅拌均匀。采用直接涂覆法将上步制备的溶液在处理过的载玻片表面均匀涂膜，在空气中放置24h。放入马弗炉热处理，升温速率为5℃/min，升到800℃，保温2h。冷却后对表面进行冲洗，然后对所得涂层做接触角测试。 

实施例2： 

将干净的载玻片浸入热Piranha溶液(浓硫酸:30%过氧化氢溶液=3:1，V/V)中，放置45min，取出后用大量去离子水冲洗，再用电吹风吹干，待用。将0.01g异丁基POSS溶解于1ml石油醚中，然后加入10ml硅油，搅拌均匀。采用直接涂覆法将上步制备的溶液在处理过的载玻片表面均匀涂膜，在空气中放置24h。放入马弗炉热处理，升温速率为5℃/min，升到600℃，保温2h。冷却后对表面进行冲洗，然后对所得涂层做接触角测试。 

实施例3： 

将干净的载玻片浸入热Piranha溶液(浓硫酸:30%过氧化氢溶液=3:1，V/V)中，放置45min，取出后用大量去离子水冲洗，再用电吹风吹干，待用。采用直接涂覆法将硅油在处理过的载玻片表面均匀涂膜，在空气中放置24h。放入马弗炉热处理，升温速率为5℃/min，升到400℃，保温2h。冷却后对表面进行冲洗，然后对所得涂层做接触角测试。实施例4： 

将干净的载玻片浸入热Piranha溶液(浓硫酸:30%过氧化氢溶液=3:1，V/V)中，放置45min，取出后用大量去离子水冲洗，再用电吹风吹干，然后对其做接触角测试。