[发明专利]用于无机非金属材料表面改性的超薄纳米涂层的制造方法

说明书

技术领域

无机非金属材料表面改性是拓展无机非金属材料性能和用途的重要方法，本发明公开的方法，是将具有特殊性能的纳米材料制备成复合溶胶，涂覆于无机非金属材料表面，进而赋予无机非金属材料各种特殊性能，使无机非金属材料获得更加广泛的应用。

背景技术

溶胶凝胶：溶胶是指通过水解和聚合作用，形成的有机或无机的纳米或微米级的粒子，这些粒子通常带有电荷，并由于电荷作用，吸附一层溶剂分子，形成由溶剂包覆的纳米或微米粒子，即胶体粒子，这些胶体粒子由于带有电荷而相互排斥，从而能以悬浮状态存在于溶剂中，即形成溶胶；胶体粒子由于失去电荷，或者包覆在外圈的溶剂层被破坏，胶体粒子发生聚合，溶胶发生固化即形成凝胶；溶胶制造中存在一个较大的难题是，溶胶由于各种因素的影响，失去稳定性，发生凝胶；这给溶胶的大规模制造和应用形成严重的制约，解决溶胶的稳定性，是拓展溶胶应用空间的前提条件。

制备溶胶的方法有很多种，对于不同的原料，适合的方法是不一样的，当需要获得多性能的纳米复合溶胶时，因为需要添加各种不同类型的原料，单一的溶胶制备方法的使用就会受到限制，本专利公开了一种制备纳米复合溶胶的解决方案。

溶胶通常采用浸润提拉、匀胶甩膜、压辊等工艺制备薄膜，这些方法的一个共同缺陷就是，只适合于二维平面涂膜，对于三维基材，或者三维结构薄膜，则无法实现，本发明公开了两种适合于纳米溶胶的特殊涂膜方法。

无机非金属材料获得特殊性能，可以通过材料组成和结构的设计来实现，通过表面改性来获得复合性能也是一种行之有效的方法，本专利公开的方法，可以作为一个材料设计方案的实施平台，用于制造各种具有综合性能的新型无机非金属复合材料。

发明内容

本发明公开了一种制备纳米复合溶胶的方法，溶胶的前体可以是有机金属化合物、金属醇盐、无机盐和有机小分子及其预聚体的任意组合，或其中的一种，或多种组合；不同的前体可以不同的方法引入纳米溶胶，例如有机金属化合物、金属醇盐可以水解方式引入，无机盐和氧化物可以水溶解方式引入，复合盐可以水热法先合成再引入；该方法的关键在于针对每一种纳米复合溶胶，尽量选择可以互溶且不产生沉淀的溶剂，使得最终获得的纳米复合溶胶保持透明和长期稳定。

为了生成颗粒度较小的溶胶以及控制溶胶的粒径分布，需要将溶胶控制为稀溶液，一个优选的方案是摩尔浓度在0.1mol/L至0.2mol/L。

溶胶体系的失稳，首先是从溶胶颗粒的自团聚开始的，为了保持溶胶的长期稳定，本发明公开的方法是，添加有机小分子单体及其预聚体，与溶胶颗粒发生螯合作用，起到阻隔剂的作用，抑制溶胶颗粒的团聚或长大；同时通过添加（但不仅限于）氧氯化锆水解液制成的酸性锆溶液，保持整个溶胶体系处于高酸度状态下；高酸度状态下，氢离子浓度较大，有利于保持溶胶中胶粒的稳定，使溶胶长期稳定。

溶胶制备过程中希望浓度越小越好，而溶胶雾化喷涂或喷墨打印时要求较高的浓度，以保证基材表面被充分的涂覆，这是一个相互矛盾要求；为解决这个问题，本发明公开的方法是，添加（不仅限于）聚乙烯醇等作为溶胶的增溶剂，避免溶胶颗粒团聚或长大的前提下，提高溶胶的浓度。

为使溶胶在雾化喷涂或喷墨打印过程中具有良好的自流平性能，以形成均匀的薄膜，本发明给出的一个优选方案是，添加有机氟树脂降低溶胶的表面张力。

为涂覆在具有三维结构的无机非金属材料上，本发明公开的一种涂膜方法是：以6公斤以上的压力，通过0.5毫米的喷嘴，将溶胶充分雾化，再将雾化的液滴，以高速气流喷涂到无机非金属材料表面，这种雾化喷涂可以不受基材表面形状的限制，适用于任意复杂的三维结构。

为了赋予无机非金属材料综合性功能，本发明公开的一种涂膜方法是：以计算机程序自动控制，按照预先设计好的三维结构，以喷墨打印方式将纳米复合溶胶喷涂到无机非金属材料表面，形成具有复杂三维结构的纳米薄膜。

为使在无机非金属材料表面形成均匀、透明、与基材结合牢固的薄膜，喷涂好溶胶薄膜的基材，需要放置30分钟至1小时，使薄膜的组成物进行充分老化，一方面溶胶内部发生聚合反应，形成三维网状结构的薄膜，同时溶胶与基材表面基团反应，形成结合层。

为赋予无机非金属材料表面吸收不同波长、不同频率的射线，本发明公开的一个优选方案是，预先合成具有吸波性能的高温磁性材料的纳米粉体，例如但不仅限于四氧化三铁、铁酸镍等，并应用材料设计技术，将各种吸波材料的纳米粉体配比并均匀混合，加入例如柠檬酸等有机分子作为螯合剂，引入纳米复合溶胶。