一种基于改性球状SiO2的自清洁涂料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及公路及设施用涂料领域，具体是一种基于改性球状sio2的自清洁涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、公路多呈带状，其自身具有多种设施和结构，如波形钢护栏板、钢筋混凝土护栏安全防护设施、涵洞帽石、桥梁栏杆、护面墙、上挡墙等，当公路路段处于矿区等易受污染的区域时，附属的公路设施及结构也会由于污染物、车辆携带物的飞溅而受到污染，不仅会造成公路设施及结构的相关功能无法正常发挥、还会使公路路段及周边环境美观度大大下降，影响到公路舒适的运营环境。故对于易受污染区域的公路路段的设施及结构，日常养护及管理过程中，需要加强常态化清洗，该过程投放了大量人力物力，但维护效果并不显著，反而提高了公路养护成本，因此寻求一种低成本、高效率的公路设施及结构的防护手段至关重要。

2、超疏水/超疏油表面具有优异的自清洁性能，将具有超疏水/超疏油特性的涂料喷涂于公路设施及结构表面能够使污染物无法在其表面附着或随着水流冲洗而被带走，极大降低了公路设施及结构的养护成本，具有广泛的应用前景。目前在液体涂料中加入纳米粒子是一种有效提高涂层表面粗糙度、优化涂层超疏水/超疏油性能的方式，在实际应用中，具有超疏水/超疏油特性的涂料不仅被要求需要良好的双超疏性，并且需要具有良好的机械耐久性。但仅仅提高纳米粒子的含量，可以提高涂层表面粗糙度，但是由于粒子之间并不连续，使得涂层机械耐久性较差，容易磨损脱落而失效，因此，制备出一种具有良好机械耐久性的超疏水/超疏油涂层具有重要的现实意义，在公路设施及结构的防护领域具有极大的应用前景。

3、针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于改性球状sio2的自清洁涂料及其制备方法用于公路设施及结构防护，该涂料制备方法简单、适用于大规模加工、低成本高效率，并且在具有超疏水和超疏油特性的同时，也具有良好的机械耐久性。

技术实现思路

1、本发明提出种基于改性球状sio2的自清洁涂料及其制备方法和应用，分别制备大尺寸和小尺寸球状纳米sio2溶胶，将球状纳米sio2溶胶和长条形纳米sio2溶胶按一定比例混合配制来构建表面粗糙的微纳米结构，利用1h,1h,2h,2h-全氟癸基三甲氧基硅烷进行改性以降低其表面自由能，球状及长条形纳米sio2溶胶混合后能够有效提高涂层的机械耐久性。

2、一种基于改性球状sio2的自清洁涂料由以下体积比的原料混合配制而成：大尺寸球状纳米sio2溶胶：小尺寸球状纳米sio2溶胶：长条形纳米sio2溶胶=0.02~0.5：0.02~0.5：1；其中，大尺寸球状纳米sio2溶胶由以下体积比的原料制备而成：正硅酸乙酯：氨水=2~5：1；小尺寸球状纳米sio2溶胶由四乙氧基硅烷为原料制备而成；长条形纳米sio2溶胶采用大尺寸球状纳米sio2溶胶、小尺寸球状纳米sio2溶胶和凝胶剂为原料制备而成，大尺寸球状纳米sio2溶胶与小尺寸球状纳米sio2溶胶的质量比为1：1，凝胶剂为敏感型水凝胶，是壳聚糖衍生物、海藻酸、改性纤维素中的一种，凝胶剂添加量为0.002wt%~2.5wt%。

3、一种基于改性球状sio2的自清洁涂料的制备方法主要包括以下步骤：

4、步骤1，大尺寸球状纳米sio2溶胶的制备：采用改性stober法，即向无水乙醇中加入正硅酸乙酯和氨水，搅拌均匀，得到大尺寸球状纳米sio2溶胶；

5、步骤2，小尺寸球状纳米sio2溶胶的制备：取无水乙醇与去离子水混合，滴加四乙氧基硅烷后保持搅拌，加入氨水调节ph为2~9并在搅拌下维持反应进行，得到小尺寸球状纳米sio2溶胶；

6、步骤3，制备长条形纳米sio2溶胶：将步骤1中制得的大尺寸球状纳米sio2溶胶和步骤2中制得的小尺寸球状纳米sio2溶胶加入烧杯中，室温下伴随搅拌加入适量凝胶剂，经过静置老化，得到长条形纳米sio2溶胶；

7、步骤4，制备纳米sio2混合液：将步骤1中制得的大尺寸球状纳米sio2溶胶、步骤2中制得的小尺寸球状纳米sio2溶胶与步骤3中制得的长条形纳米sio2溶胶按比例混合后搅拌得到纳米sio2混合液；

8、步骤5，制备基于改性球状sio2的自清洁涂料：向步骤4中制备的纳米sio2混合液中加入改性剂，磁力搅拌均匀后，加入溶于乙酸乙酯的粘结树脂胶，混合搅拌后得到基于改性球状sio2的自清洁涂料。

9、进一步地，步骤1中所述氨水浓度为0.5m，正硅酸乙酯和氨水体积分数比为2~5：1，无水乙醇加入体积为40ml，搅拌时间为1~10h、转速1000rpm。

10、进一步地，步骤2中所述无水乙醇与去离子水的体积比为3:1；四乙氧基硅烷添量为3vol%~8vol%，所述搅拌在1000rpm的转速下进行5~10min，温度为30℃~40℃；加入氨水后，所述搅拌在1000rpm的转速下进行5~10min；所述反应时间为60min~90min。

11、进一步地，步骤3中所述搅拌速度为500rpm，搅拌时间为10~20min，静置老化所需时间为16~24h。

12、进一步地，步骤4中所述小尺寸球状纳米sio2溶胶、大尺寸球状纳米sio2溶胶和长条形纳米sio2溶胶混合后搅拌1~2h，搅拌速度为200~500rpm。

13、进一步地，步骤5中所述改性剂为1h,1h,2h,2h-全氟癸基三甲氧基硅烷、其添加量为0.1wt%~3wt%，所述磁力搅拌转速为1000rpm、磁力搅拌时间为1~12h。

14、进一步地，步骤5中所述的溶于乙酸乙酯的粘结树脂胶是指将粘结树脂胶溶解于3~5ml乙酸乙酯中，加入溶于乙酸乙酯的粘结树脂胶后，混合搅拌时间为30min~3h，混合搅拌速度为300~500rpm，粘结树脂胶是丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂、氟碳树脂中的一种、其质量分数为0.5wt%~15wt%。

15、一种基于改性球状sio2的自清洁涂料的应用包括以下步骤：

16、步骤1，对公路设施和结构表面进行清洗，使干净整洁的表面充分暴露；

17、步骤2，对公路设施和结构表面进行预处理，即对起皮、松动、凸起的部分进行处理使其平整；

18、步骤3，根据实际情况在公路设施和结构表面喷涂一层普通底漆或涂料形成隔离或者防污防腐层；

19、步骤4，将基于改性球状sio2的自清洁涂料料喷涂在洁净平整的公路设施和结构表面，该过程要避免大风和降雨，喷涂完成后需保证60min内无雨水影响且无污染物附着；

20、步骤5，自然干燥后，在公路设施和结构表面形成一层具有自清洁效果的功能性涂层。

21、与现有技术相比，本发明取得的有益效果如下：

22、（1）采用球状纳米sio2溶胶和长条形纳米sio2溶胶按比例混合配制既能构建表面粗糙的微纳结构，又能在球状纳米sio2溶胶和长条形纳米sio2溶胶混合后形成缠绕结构以有效提高涂层的机械耐久性；

23、（2）本发明中制备了尺寸不同的两种球状纳米sio2溶胶，大尺寸球状纳米sio2大小为30~40nm，小尺寸球状纳米sio2大小为15~20nm，使得制备的长条形纳米sio2溶胶也分布不同尺寸，有利于表面粗糙度进一步提高；

24、（3）球状纳米sio2溶胶和长条形纳米sio2溶胶混合后，配合改性试剂和粘结树脂制备的涂层兼具超疏水/超疏油特性和机械耐久性，具有良好实用性；

25、（4）制备过程涉及的仪器和工艺简单，常温下即可制备，反应条件温和，操作简便，能耗低；

26、（5）该涂料能够广泛应用于公路设施及结构的日常防护，极大减少了人力物力，节约维护时间和维护成本，实用性强、应用范围广，降低了管理难度，提高了公路路域环境视觉美观效果。