本發(fā)明涉及無機(jī)-有機(jī)復(fù)合涂層材料，具體為一種基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、親水涂層技術(shù)是一種通過在材料表面施加特殊涂層，使其具有較強(qiáng)的親水性，從而改善潤濕性、減少水滴殘留、降低污染物附著的技術(shù)。

2、現(xiàn)有親水涂層技術(shù)存在以下痛點：

3、親水性不足：常規(guī)涂層接觸角>20°，難以滿足防霧等超親水需求(接觸角<5°)；

4、機(jī)械性能差：表面硬度低，易被磨損(如taber?200次測試失效)；

5、耐候性缺陷：涂層在濕熱、溫度沖擊下易開裂或失效。

6、現(xiàn)有技術(shù)嘗試通過無機(jī)-有機(jī)雜化改善性能，但存在以下問題：

7、無序交聯(lián)：固化過程中硅烷與無機(jī)材料無序排列，導(dǎo)致親水基團(tuán)埋藏，表面親水性差；

8、剛?cè)崾Ш猓簡渭儫o機(jī)網(wǎng)絡(luò)脆性高，單純有機(jī)網(wǎng)絡(luò)耐磨性不足。

9、本發(fā)明通過模板誘導(dǎo)有序組裝、剛?cè)峋W(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計及梯度固化工藝，解決了上述技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層及其制備方法，解決了現(xiàn)有親水涂層技術(shù)無序交聯(lián)和剛?cè)崾Ш獾膯栴}。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層，包括涂層，所述涂層以涂層總質(zhì)量為基準(zhǔn)，包括以下組分，質(zhì)量百分比范圍如下：

5、丙磺酸基氨丙基硅烷：25％-45％；

6、四乙氧基硅烷teos：10％-20％；

7、peg-si兩端硅氧烷修飾的聚乙二醇：5％-15％；

8、聚乙烯吡咯烷酮pvp?k30：5％-10％；

9、戊二醛：0.3％-0.8％；

10、其中，利用pvp的酰胺基-conh-與丙磺酸基硅烷中的磺酸基-so3h形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)模板誘導(dǎo)有序排列，驅(qū)動親水基團(tuán)向表面定向富集。

11、一種基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層的制備方法，應(yīng)用于上述的一種基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層，還包括以下制備方法：

12、步驟一，各組分的制備

13、peg-si的合成與預(yù)水解：將peg-si溶于乙醇/水混合溶劑中，用稀鹽酸調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)ph至4.0，在40℃條件下超聲預(yù)水解2小時，獲得預(yù)水解peg-si溶液，備用；

14、teos預(yù)水解液的制備：按照乙醇與水質(zhì)量比為4:1配制混合溶劑，攪拌均勻后以稀鹽酸調(diào)節(jié)溶劑ph至約2，將teos滴加至該溶劑中，并于40℃條件下連續(xù)攪拌水解2小時，獲得teos預(yù)水解液，備用；

15、制備丙磺酸基硅烷水解液：按照乙醇與水質(zhì)量比為1:4配制混合溶劑，攪拌均勻后加入丙磺酸基硅烷，于40℃條件下超聲水解2小時，獲得丙磺酸基硅烷預(yù)水解液，備用；

16、步驟二，pvp-硅烷-peg超親水涂層劑的制備

17、將5wt％的pvp?k30溶解于水、乙醇及丙二醇混合溶劑中，其中混合溶劑的質(zhì)量比為5:3:2，并采用稀鹽酸將溶劑ph調(diào)節(jié)至約3.0；在持續(xù)攪拌條件下，依次將步驟一中所述的teos預(yù)水解液、步驟步驟一中所述的預(yù)水解peg-si溶液以及步驟步驟一中所述的丙磺酸基硅烷預(yù)水解液依次滴加至上述pvp溶液中，其中peg-si溶液滴加完畢后繼續(xù)攪拌2小時后再進(jìn)行下一步，于40℃條件下分別攪拌一定時間，其中丙磺酸基硅烷預(yù)水解液的加入后攪拌1小時；

18、所述涂層劑中各組分的含量按重量比分別控制為：

19、pvpk30溶液40wt％-50wt％；

20、teos水解液20wt％-25wt％；

21、預(yù)水解peg-si溶液20wt％-25wt％；

22、丙磺酸基硅烷預(yù)水解液20wt％-30wt％；

23、隨后向混合液中加入占總混合液質(zhì)量0.5wt％的戊二醛，并在40℃條件下攪拌4小時，再按總固含量為1wt％–10wt％的要求，用純水與乙醇的混合溶劑對混合液進(jìn)行稀釋，同時將ph調(diào)節(jié)至約6.0；

24、步驟三，超親水涂層制備與性能驗證

25、玻璃基底經(jīng)氧氣/氬氣等離子處理功率為100w，時長8分鐘；

26、將待涂覆的玻璃基底經(jīng)氧氣/氬氣等離子體處理，功率為100w，處理時長約8分鐘后，采用淋涂或浸涂方式將步驟二中所述的涂層劑均勻施加于基底表面，施涂時控制提拉速度為約0.5mm/s，在相對濕度60％及以上條件下進(jìn)行預(yù)固化，再于50℃且相對濕度60％及以上的條件下固化2小時，繼而進(jìn)行交聯(lián)固化，120℃烘烤60分鐘，最后采用50℃的去離子水超聲清洗5分鐘以去除游離pvp，從而獲得復(fù)合納米超親水涂層。

27、優(yōu)選的，所述步驟一中peg-si:乙醇:水的質(zhì)量比為1:4:1，所述步驟一中teos預(yù)水解液的制備，滴入的teos的質(zhì)量按照teos、乙醇、水的質(zhì)量比1:4:1進(jìn)行滴加。

28、優(yōu)選的，所述制備丙磺酸基硅烷水解液過程中，丙磺酸基硅烷:乙醇:水的質(zhì)量比為1:1:4。

29、優(yōu)選的，各預(yù)水解步驟均采用超聲輔助水解工藝，用于水解更加均勻。

30、優(yōu)選的，所述涂層劑中各組分的加入順序及比例可根據(jù)實際應(yīng)用需求在上述范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整，用于工藝優(yōu)化與改進(jìn)。

31、優(yōu)選的，在制備peg-si組分之前，采用peg2000與ipts按照摩爾比1:2.2在甲苯中反應(yīng)，在二月桂酸二丁基錫催化下，于80℃條件下在氮氣保護(hù)環(huán)境中反應(yīng)8小時；反應(yīng)結(jié)束后，采用減壓蒸餾法去除甲苯，并以乙醇對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌純化。

32、優(yōu)選的，所述pvp的分子量控制在30kda至50kda范圍內(nèi)，以確保所述pvp能夠作為有效的模板分子，引導(dǎo)涂層形成過程中涂層結(jié)構(gòu)的有序排列。

33、優(yōu)選的，在濕度預(yù)固化步驟中，控制預(yù)固化溫度為50℃，相對濕度為60％及以上，固化時間為2小時，以使涂層分子在低溫環(huán)境下初步定向排列，從而有效防止后續(xù)高溫交聯(lián)固化過程中涂層結(jié)構(gòu)松散，確保最終涂層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

34、(三)有益效果

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層及其制備方法，具備以下有益效果：

36、1、該基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層及其制備方法，提供了一種基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層，相較于傳統(tǒng)親水涂層，其初始接觸角小于等于3°，能夠?qū)崿F(xiàn)水滴的瞬時鋪展，滿足超親水需求，通過pvp模板誘導(dǎo)作用，使親水基團(tuán)在涂層表面定向富集，形成穩(wěn)定的超親水界面。此外，涂層在長時間使用過程中仍能保持超親水性，在紫外老化測試后，本發(fā)明涂層的接觸角仍保持在10°以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)硅烷涂層，證明了其長期穩(wěn)定的超親水性能。

37、2、該基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層及其制備方法，通過teos無機(jī)網(wǎng)絡(luò)與peg-si柔性鏈的協(xié)同作用，構(gòu)建了剛?cè)峄ゴ┑耐繉咏Y(jié)構(gòu)，使得涂層在保持超親水性的同時，顯著提升了耐磨性能。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明涂層在taber?1000次磨損后，δhaze小于4％，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)涂層(taber?200次即失效)，顯示出卓越的耐磨性。這主要得益于：①teos交聯(lián)形成的剛性無機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供了優(yōu)異的耐磨保護(hù)，防止表面結(jié)構(gòu)在摩擦過程中被破壞；②peg-si柔性鏈的引入增強(qiáng)了涂層的韌性，使其在受力過程中能夠有效緩沖應(yīng)力，減少微裂紋的產(chǎn)生。此外，該涂層還具有良好的柔韌性，可承受較大彎折而無裂紋，進(jìn)一步提升了其適應(yīng)不同基材的能力。這種高耐磨性及柔韌性的結(jié)合，使得本發(fā)明涂層能夠應(yīng)用于高接觸、高摩擦環(huán)境，如觸摸屏、建筑玻璃、汽車擋風(fēng)玻璃等，延長其使用壽命。

38、3、該基于模板誘導(dǎo)的復(fù)合納米超親水涂層及其制備方法，在涂層制備過程中采用分階段ph調(diào)控及濕度梯度固化工藝，使得涂層在微觀結(jié)構(gòu)上形成穩(wěn)定的有序排列，提高了其耐候性。濕熱老化測試結(jié)果表明，本發(fā)明涂層優(yōu)于傳統(tǒng)硅烷涂層(老化后親水性顯著下降)。這一優(yōu)勢源于：①pvp誘導(dǎo)的有序交聯(lián)結(jié)構(gòu)有效防止高溫高濕環(huán)境下的降解；②剛?cè)峄ゴ┚W(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了涂層的抗開裂能力，使其在溫度沖擊、濕度變化等復(fù)雜環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定。此外，本發(fā)明采用水基溶劑，水基溶劑占比超過60％，相比傳統(tǒng)溶劑型涂層，voc排放降低70％，更加環(huán)保，符合綠色制造需求。綜合而言，該涂層在光伏、汽車玻璃、醫(yī)療器械等需要長期穩(wěn)定超親水性能的場景中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。