一种超疏水减阻涂层及制备方法

1.本发明涉及的是一种氟硅树脂涂层及制备方法，具体地说是一种具有减阻功能的超疏水氟硅树脂涂层及制备方法。


背景技术：

2.近年来，由于海上运输与其他运输方式相比具有运输能力大、能源消耗低、单位运输成本低、续航能力大和劳动生产力高等优点，使海上运输成为了主要的运输方式，大约93％的物流输送任务是由海上交通完成的。但是，海洋中的大型船只和水下潜艇在行驶过程中容易受到海水对其产生的阻力，这不仅仅会降低船舶运输的速率，也会增大燃油的损耗量。氟硅树脂具有优异的耐温性、抗粘性、耐化学品性、防污性和憎水性，而且与无机填料混合后稳定性高，便可得到具有不同性能的氟硅树脂涂层产品，因此被广泛用于建筑外墙、钢架结构和船体表面等领域。涂层减阻的关键是减阻涂料的制备和喷涂技术两方面，超疏水涂层减阻的原理是超疏水表面可以捕捉一层空气膜，该空气膜减小了固液接触面积，从而实现了减阻的目的。在海上交通占主导地位的今天，开发一种适用性广、制备简便且稳定性高的超疏水减阻涂层对提高船舶能源利用率有很大的现实意义。
3.目前，常用的超疏水涂层的制备方法有两步喷涂法和多步喷涂法，主要通过树脂和颜料交替喷涂实现超疏水减阻的性能，这些方法制备过程复杂，制备周期长，不宜在大型工件表面制备，如船体表面。本发明将颜料和树脂等均匀混合，通过一步喷涂法并且采用独特的喷涂路径制备具有减阻功能的超疏水氟硅树脂涂层。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种与基体结合力高，而且适用性广、制备简便，可以大量生产的具有减阻功能超疏水减阻涂层及制备方法。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.一种超疏水减阻涂层，由以下质量份组分组成：氟硅树脂混合液97-99份，固化剂0.6-1.3 份；流平助剂0.1-1.5份，分散剂0.2-0.7份；
7.所述的氟硅树脂混合液为按质量份计，由10-25份十三氟辛基三乙氧基硅烷改性二氧化硅、10-25份氟硅树脂和50-70份溶剂复配制得。
8.进一步的，所述溶剂为正己烷或乙酸乙酯的一种或多种；
9.进一步的，所述固化剂为聚氨酯或异氰酸酯中的一种或多种；
10.进一步的，所述流平助剂为聚丙烯酸酯或聚氨酯中的一种或多种；
11.进一步的，所述分散剂为改性脲溶液。
12.一种超疏水减阻涂层的制备方法，包括如下步骤：
13.(1)氟硅树脂混合液的制备：
14.a.将30-60份乙醇、20-50份正硅酸乙酯和20-50份氨水混合，在30-70℃下磁力搅拌器搅拌2-4h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间为10-20min，最后在60-100℃
下干燥12-24h，制备纳米sio2；
15.b.取干燥后10-20份纳米sio2溶于79-89份酒精，加入0.5-1份十三氟辛基三乙氧基硅烷改性，并加入0.1-0.2份催化剂，在30-70℃下磁力搅拌器搅拌2-4h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间为10-20min，最后放在60-100℃下干燥12-24h；
16.c.取10-25份干燥后的疏水纳米sio2、10-25份氟硅树脂和50-70份正己烷溶液混合均匀后加入磨珠，进行球磨处理，球磨机转速为400-1000r/min，时间为10-15min；
17.d.将球磨后的混合液静置，采用1000-5000目不锈钢滤网过滤得到滤液；
18.(2)取固化剂0.6-1.3份，流平助剂0.1-1.5份，分散剂0.2-0.7份混合均匀，进行球磨处理，球磨机转速为400-1000r/min，时间为10-15min得到混合液备用；
19.(3)取步骤(1)中制备的97-99份氟硅树脂混合液，加入步骤(2)中制备的1-3份混合液，球磨机在200-400r/min转速下搅拌10-15min；
20.(4)将步骤(3)中的混合液倒入喷枪中，喷涂过程先从样品旁边空气开始，采用环绕式喷涂法从外到内螺旋喷涂，直到样板完全被涂层覆盖，得到具有减阻功能的超疏水氟硅树脂涂层。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明通过向乙醇和氨水的混合溶液中滴加正硅酸乙酯，在碱性环境下水解制备纳米 sio2颗粒。在改性过程中十三氟辛基三乙氧基硅烷水解产生羟基，与纳米sio2的羟基脱水生成含氟的疏水sio2颗粒。将疏水sio2颗粒作为填料加入到氟硅树脂中，使其具有超疏水性能，并且不会造成氟硅树脂涂层力学性能下降。本发明中制备的涂层，不仅保持优良的稳定性，而且对促进超疏水减阻涂层的工程化应用具有重要意义。本发明超疏水减阻涂层的制备方法为一步喷涂沉积法。区别于其他涂层的两步喷涂法、多部喷涂法和模板法等等，该方法制备的涂层不仅同样具备减阻功能，且适用性广、制备简便，可以大量生产。此外，利用该技术得到涂层与基体有着较强的结合力，使得在长期服役过程中不易破裂脱落，且接触角大于150
°
，进而能保证船舶的减阻效果，即使涂层表面经过摩擦磨损，仍旧保持超疏水状态以及高的减阻效果。
附图说明
23.图1是实施例1、2和3制备涂层的接触角图，接触角为153
°
；图2是实施例2制备涂层的接触角图，接触角为157
°
；图3是实施例3制备涂层的接触角图，接触角为162
°
；图4是实施例1、2和3制备涂层的转速-扭矩图。
具体实施方式
24.实施例1：
25.(1)氟硅树脂混合液的制备：
26.a.将60份乙醇、20份正硅酸乙酯和20份氨水混合，在30℃下磁力搅拌器搅拌2h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间为10min，最后在60℃下干燥24h，制备纳米 sio2；
27.b.取干燥后10份纳米sio2溶于89份酒精，加入0.8份十三氟辛基三乙氧基硅烷改
性，并加入0.2份催化剂，在30℃下磁力搅拌器搅拌2h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间为10min，最后在60℃下干燥24h；
28.c.取10份干燥后的疏水纳米sio2、20份氟硅树脂和70份的正己烷溶液混合均匀后加入磨珠，进行球磨处理，球磨机转速为400r/min，时间为10min；
29.d.将球磨后的混合液静置，采用4000目不锈钢滤网过滤得到滤液；
30.(2)取固化剂1.3份，流平助剂1份，分散剂0.7份，混合均匀，进行球磨处理，球磨机转速为400r/min，时间为10min,得到混合液备用；
31.(3)取步骤(1)中制备的99份氟硅树脂混合液，加入步骤(2)中制备的1份混合液，球磨机在200r/min转速下搅拌10min；
32.(4)将步骤(3)中的混合液倒入喷枪中，喷涂过程先从样品旁边空气开始，采用环绕式喷涂法从外到内螺旋喷涂，直到样板完全被涂层覆盖，得到具有减阻功能的超疏水氟硅树脂涂层。
33.实施例2：
34.(1)氟硅树脂混合液的制备：
35.a.将55份乙醇、25份正硅酸乙酯和20份氨水混合，在50℃下磁力搅拌器搅拌3h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间为15min，最后在80℃下干燥24h，制备纳米 sio2；
36.b.取干燥后15份纳米sio2溶于84份酒精，加入0.8份十三氟辛基三乙氧基硅烷改性，并加入0.2份催化剂，在50℃下磁力搅拌器搅拌3h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间15min，最后在80℃下干燥24h；
37.c.取15份干燥后的疏水纳米sio2、15份氟硅树脂和70份的正己烷溶液混合均匀后加入磨珠，进行球磨处理，球磨机转速为800r/min，时间为15min；
38.d.将球磨后的混合液静置，采用3000目不锈钢滤网过滤得到滤液；
39.(2)取固化剂1份，流平助剂1.5份，分散剂0.5份，混合均匀，进行球磨处理，球磨机转速为1000r/min，时间为15min得到混合液备用；
40.(3)取步骤(1)中制备的98.5份氟硅树脂混合液，加入步骤(2)中制备的1.5份混合液，球磨机在400r/min转速下搅拌10min；
41.(4)将步骤(3)中的混合液倒入喷枪中，喷涂过程先从样品旁边空气开始，采用环绕式喷涂法从外到内螺旋喷涂，直到样板完全被涂层覆盖，得到具有减阻功能的超疏水氟硅树脂涂层。
42.实施例3：
43.(1)氟硅树脂混合液的制备：
44.a.将50份乙醇、30份正硅酸乙酯和20份氨水混合，在70℃下磁力搅拌器搅拌4h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间为20min，最后在100℃下干燥24h，制备纳米 sio2；
45.b.取干燥后19份纳米sio2溶于80份酒精，加入0.9份十三氟辛基三乙氧基硅烷改性，并加入0.1份催化剂，在70℃下磁力搅拌器搅拌4h，然后离心机离心，离心转速为4000r/min，时间20min，最后在100℃下干燥24h；
46.c.取25份干燥后的疏水纳米sio2、15份氟硅树脂和60份的正己烷溶液混合均匀后
加入磨珠，进行球磨处理，球磨机转速为1000r/min，时间为15min；
47.d.将球磨后的混合液静置，采用1000目不锈钢滤网过滤得到滤液；
48.(2)取固化剂1份，流平助剂1.5份，分散剂0.5份，混合均匀，进行球磨处理，球磨机转速为1000r/min，时间为15min得到混合液备用；
49.(3)取步骤(1)中制备的97份氟硅树脂混合液，加入步骤(2)中制备的3份混合液，球磨机在400r/min转速下搅拌15min；
50.(4)将步骤(3)中的混合液倒入喷枪中，喷涂过程先从样品旁边空气开始，采用环绕式喷涂法从外到内螺旋喷涂，直到样板完全被涂层覆盖，得到具有减阻功能的超疏水氟硅树脂涂层。
51.图1、图2、图3为实施例1、2和3制备涂层的接触角图，接触角分别为153
°
、157
°
和162
°
。
52.采用旋转圆盘法对涂层进行减阻测试，图4为实施例1、2和3制备涂层的转速-扭矩图，说明利用本发明所制备的涂层具有优异的减阻性能，最大减阻率为35％。
53.本发明用一步喷涂法以及特殊的喷涂路径，配合该涂层的工艺制备出一种适用性广、制备简便，可以大量生产超疏水减阻涂层，并在大型工件上一次制备成型。