ZnO纳米材料改性油漆涂层的制备及其浸润性的研究

1、 纳米材料改性油漆涂层的制备及其浸润性的研究杨周，顿志凌，胡隆谦，伍旸，冯虹瑛，齐钰博，杨雨萌，许小亮（中国科技大学物理系，安徽合肥）摘要：采用水浴法生长出蒲公英状的纳米材料，并将其与油漆混合，制备出改良油漆涂层。分别用场发射扫描电子显微镜（）和接触角测量仪对其表面形貌和浸润性进行了表征。实验结果表明，加入材料后，不仅增加了油漆涂层的表面粗糙度，油漆涂层的疏水性能也得到显著改善，水滴在油漆涂层上的接触角由改良前的°增加到改良后的°。此外，还研究了纳米材料的添加量对涂层疏水性的影响。关键词：纳米；油漆改性；接触角；水浴生长中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）引言由于疏水性

2、涂层在防雾、防冰冻，及防腐蚀方面的重要应用，引起了科研人员的广泛兴趣。研究发现，影响涂层疏水性能主要因素，有：（）涂层表面的粗糙结构；（）涂层表面的自由能。荷叶和水蛭的脚是疏水界面的典型代表，正是由于其微纳尺度复合结构组成的表面，使其具有良好的疏水性能。因此，适当的增加涂层表面的粗糙度使其具有仿生学的结构，同时降低涂层表面的自由能可以有效地提高其疏水性能。目前制备疏水表面的主要方法有：溶胶凝胶法、刻蚀法、法、模板法等。以上方法制得的粗糙表面通过低表面能物质的修饰，可以达到良好的疏水效果。实验室中使用的低表面能物质一般是比较昂贵的有机物，如氟硅烷等，不适合大面积的应用推广。若使用价格低廉的油漆等

3、低表面能物质，则可以有效地降低疏水涂层的成本。本文采用水浴法生长出类蒲公英状的纳米材料，并将其与油漆进行混合。其中，纳米材料在改良涂层中提供了粗糙结构，增加了油漆涂层的粗糙度，从而提高了涂层的疏水性能。同时还探讨了纳米材料的加入量对涂层疏水性能的影响。实验实验材料六水合硝酸锌、六次亚甲基四胺及丙酮购于上海国药集团，纯度为。实验中使用的油漆是“菱湖牌”铁红醇酸防锈漆。实验用去离子水电阻率为·。改性油漆涂层的制备分别取浓度为的硝酸锌和六次亚甲基四胺溶液，混合后用磁力搅拌器充分搅拌。将配置好的溶液密封后，放入的恒温水浴槽中静置。取出后静置，将其上层清液倒出。然后将剩下的含有纳米颗粒的液体放

4、入干燥箱中干燥，得到干燥的纳米颗粒。分别取、和纳米颗粒超声分散于的丙酮溶液中，然后加入经过层药用纱布过滤的油漆并超声。将混合液体滴于载玻片表面，自然晾干后形成改性油漆涂层（样品编号见表）。表纳米颗粒加入量对改性油漆涂层疏水性的影响样品名称纳米颗粒加入量（）丙酮用量（）油漆用量（）样品形貌接触角（°）图（）±图（）±图（）±未附±改性疏水涂层的表征使用扫描电子显微镜（日本公司）表征所得样品的表面形貌；使用接触角测量仪（上海梭伦信息科技有限公司）测量样品的三相接触角，以分析不同样品涂层的润湿性，接触角取个不同测点测量值的平均值，测量过程中使用的是的

5、水滴。结果与讨论纳米颗粒及改性涂层的形貌实验所得的纳米颗粒形貌如图（）所示。从图中可知，粉末由蒲公英状的纳米颗粒组成。数根纳米棒从一个中心核生长出来，形成了类蒲公英状的结构。单根纳米棒的长度约为，直径约年第期（）卷基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；国家大学生创新性实验计划资助项目（）；国家基础科学人才培养基金资助项目（）收到初稿日期：收到修改稿日期：通讯作者：许小亮作者简介：杨周（），男，河北邯郸人，在读博士，师承许小亮教授，从事纳米功能材料的学习和研究。为。单个颗粒的尺度约。从图（）可以看出，粉末形成了良好的微纳米复合结构。图纳米颗粒以及纳米颗粒掺入量为、及的改性油漆之样品的图像。插入

6、图为局部放大图，图（）、（）、（）分别为样品、的图像，样品的微观形貌与样品很接近，故未附。从图中可以看出，个样品具有类似的微观形貌。同时也可以看出，与油漆混合后，纳米颗粒基本保持了原有的蒲公英状的形貌。随着粉末掺入量的增加，类蒲公英状颗粒之间的间距不断减小。在图中也可以发现一些断开的单根纳米棒（见图（）、（）、（）中之插图）。这可能是由于超声处理过程中，部分纳米棒从类蒲公英结构上被打下来所致。对比图（）和图（）、（）、（）可以看出，经过与油漆的超声混合后，原来散开的棒变得集中了，这是由于油漆的表面张力导致的。油漆附着在纳米颗粒的表面，将会对各自的浸润性产生影响：一方面，具有微纳结构的可使油漆涂

7、层的表面粗糙度增加，同时油漆也降低了纳米颗粒表面自由能，这两个因素将导致改性油漆表面的疏水性得到增强。样品的浸润性图是水滴分别在粉末组成的薄膜表面、纯油漆表面、样品、及表面的接触角。如图（）所示，未经任何处理的由粉末组成薄膜表面为超亲水表面，当水滴滴到其表面时，液滴迅速扩展开来，测得其接触角为°。如图（）所示，水滴在未经掺杂的、平整的油漆表面的接触角为°。由此可以得出该实验中使用的油漆本身具有疏水性。从图（）、（）、（）及（）可以看到，当在油漆中掺入纳米颗粒以后，水滴在油漆涂层表面的接触角增加到°以上。掺入量分别为、及时，改良涂层的接触角分别为、及°。同

8、时可看出，随着的掺入量的持续增加，对浸润性的调节作用趋于平缓。浸润性分析固体表面的浸润性与两方面因素有关：（）固体表面的粗糙程度；（）固体表面的自由能。根据模型，为表观接触角，是水滴在平整表面的接触角，是粗糙表面的粗糙度因子。粗糙度的增加可使亲水性表面更加亲水。材料自身为亲水性材料（），在粉末组成的薄膜表面上，由于类蒲公英状结构的存在，大大增加了薄膜表面的粗糙度，从而使得粗糙度因子增加。利用模型可以定性判断，水滴在粉末组成的薄膜表面的接触角将大大降低，因此出现了图（）中超亲水的结果。在平整的油漆涂层表面，实验中所测得的接触角即为其本征接触角。由水滴在平整油漆涂层表面接触角为°可以判断

9、，油漆本身为疏水性物质。根据模型分析可知，粗糙度的增加可使疏水性表面更加疏水。适当增加油漆涂层表面的粗糙度可以使水滴在其表面的接触角增大，从而提高其防水性能。因此，若将纳米颗粒与油漆很好地结合起来，将会增加油漆涂层的防水性能。杨周等：纳米材料改性油漆涂层的制备及其浸润性的研究图水滴在颗粒组成的薄膜、平整油漆、样品、及表面的接触角，如图所示，纳米颗粒组成的薄膜表面比较粗糙。若在纳米颗粒表面吸附一层低表面能物质，将大大提高其疏水性能。与油漆的混合后，表面很好地附着了层油漆（图（）、（）、（）。将混合体涂到玻璃表面，实现了颗粒的粗糙结构与油漆自身疏水特性较好的结合，提高了油漆涂层的疏水性能。同时从图

10、（）、（）、（）可以看出，随着纳米颗粒掺入量的增加，涂层表面的粗糙度不断增加（粗糙度因子不断增大），根据模型不难推论，水滴在其表面的接触角也将不断增大。通过比较图（）、（）、（）和（）可知，实验现象与理论推论基本符合 。图纳米颗粒及油漆对涂层疏水性影响示意图结论通过颗粒的调节作用，增加了油漆涂层表面的粗糙度，得到改良的油漆涂层。水滴在油漆涂层表面的接触角显著增大，增强了涂层的疏水性，从而提高了涂层的防水性能。同时改变颗粒掺入量，水滴在涂层表面的接触角也发生了改变，说明可以通过颗粒粗糙结构对涂层疏水性进行调节。由于油漆和材料价格低廉，此改性的油漆涂层有望得到广泛的应用。参考文献：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：（下转第页） 年第期（）卷（）：，（）：，（）：，：，（，；，；，）：，：；檺檺檺檺檺檺檺檺