导读：采用自制的活性纳米Al2O3 微粒研制成自清洁粉末涂料。经扫描电镜观察、接触角等测定，涂层表面呈现纳米微观结构，具有明显的超疏水性。提出了自清洁粉末涂料今后的研究方向涂料在线coatingol.com。
引言
当前自清洁涂料的研究与应用已取得了显著成果。日本是世界上较早开展纳米粒子光催化活性及用于涂层自清洁、抗菌功能研究的国家之一，20 世纪90年代即实现在陶瓷、玻璃等材料上的工业应用［1］。
我国中科院化学所江雷研究员首创二元协同原理，研制成超双疏/双亲材料［2］，并成功用于高档领带、丝巾（艾利特服装公司）、羊绒制品（鄂尔多斯集团）、西服（杉杉集团）等产品上，超双亲自清洁涂料也被国家大剧院工程采用。
从2000 年开始［3］，复旦大学武利民教授根据荷叶的自清洁原理，选用不同结构、形状的无机颗粒材料进行疏水改性，制备成涂层表面具有类似荷叶凹-凸形貌的新型涂料。
在上海闵行区浦江镇世博会动迁工程、徐家汇下立交重点工程墙面防护中获得成功应用，使用效果良好。这些研究成果都激励和促进了粉末涂料技术人员研究自清洁粉末涂料的积极性。
1 涂层自清洁原理
现行亲水性定义为［4-5］：正常水接触角θ<10°，θ<5° 为超亲水，θ>90° 为疏水，θ>150° 为超疏水。
目前涂层自清洁机理主要有以下几种：超疏水、超亲水、超双疏和超双亲等，其中超疏水与超双疏机理主要用于涂料行业；超亲水与超双亲则主要用于自清洁玻璃、陶瓷等工业。
1.1 超疏水原理
利用纳米粒子的小尺寸效应，在涂层表面形成一层超疏水层，空气中的无机灰尘一般具有一定极性，在超疏水表面不能形成强烈吸附，极易被雨水冲刷掉；
即使涂层上被有机物吸附，也可以利用纳米粒子超强的光催化活性，最终将有机物分解成CO2、H2O、H2SO4、HNO3 等易冲刷物质。
该涂层表面结构及自清洁原理与荷叶类似，能保证涂层表面清洁如新。
1.2 超双疏原理
涂层表面形成纳米尺寸几何形状互补（如凸与凹相间）的界面结构，由于纳米尺寸低凹的表面可使吸附气体分子稳定存在，相当于在宏观表面上有一层稳定的气体薄膜，使油或水无法与材料的表面直接接触，从而使材料表面呈现超常的双疏性［2］。
2 实验部分
2.1 活性纳米Al2O3 微粒的制备
将纳米Al2O3 粉体分散在无水乙醇中，加入纳米粉质量1.5% 的蒸馏水，用稀盐酸调pH 值为5，加入4%（质量分数）全氟辛基- 三乙氧基硅烷，搅拌下加热回流反应2 h。
再加入2%（质量分数）环氧基硅烷偶联剂，继续回流反应2 h。减压蒸馏除去体系中的溶剂和水，干燥后制得具有反应活性的纳米Al2O3 微粒。
2.2 自清洁聚酯粉末涂料的熔融挤出制备
将活性纳米Al2O3 微粒与聚酯树脂、固化剂、流平剂、颜填料、助剂等按一定比例称量，加到高速混合机中混合5~10 min，采用双螺杆挤出机熔融挤出，经压片，破碎，筛分后，制得自清洁粉末涂料。
2.3 自清洁聚酯粉末涂料的干混制备
先将聚酯树脂、固化剂、流平剂、颜填料、助剂等按一定比例称量，加到高速混合机中混合2~5 min，采用双螺杆挤出机熔融挤出，经压片，破碎，筛分后，制得纯聚酯粉末涂料；
再将活性纳米Al2O3 微粒、纯聚酯粉末涂料、分散助剂按比例称量，加到干混设备中进行固相复合反应，高速分散5~10 min，冷却，筛分，制得自清洁粉末涂料。
3 结果与讨论
3.1 试验结果
采用JSM-5600 型扫描电子显微镜进行扫描电子显微镜（SEM）表征；采用BM300 型（日本）接触角测定仪测定水与涂层表面的接触角；
采用PHI5702 型X-射线电子能谱（XPS）仪对涂层表面的化学组成进行表征；涂层厚度、光泽度、耐冲击性等性能按照现行国标要求进行测定。
表1 为干混工艺下活性纳米Al2O3 微粒用量与涂层表面接触角的对应关系；表2 为活性纳米Al2O3 微粒添加前后粉末涂层的物理机械性能对比；
图1 为干混工艺制得的自清洁粉末涂层SEM 图像；图2 为自清洁涂层上水滴和油滴的形态图；图3 为自清洁涂层表面的X- 射线光电子能谱图［6-7］。
3.2 粉末涂料生产工艺对性能的影响
试验过程中发现：采用熔融挤出工艺制备自清洁粉末涂料，活性纳米Al2O3 微粒用量较小时，粉末涂层的物理机械性能较好，但疏水性较差；
活性纳米Al2O3微粒用量大于30% 时，涂层才具有一定的疏水性，但涂层的物理机械性能大大下降，甚至出现涂层不连续现象。
采用干混工艺制备粉末涂料效果较好，纳米Al2O3微粒用量可大幅减少，而涂层常规的物理机械性能则有了良好保证。
干混工艺既可使纳米Al2O3 微粒均匀分散，也能保证粉末涂料熔融固化成膜过程中纳米微粒向涂层表面的聚集与排列组合。
3.3 纳米Al2O3 微粒用量对涂层疏水性的影响
由表1 可以看出：在试验工艺下，随着纳米Al2O3微粒用量的增加，涂层的水接触角迅速增大，Al2O3 用量达10%（质量分数）时水接触角达到最高，随后小幅下降。
这说明纳米Al2O3 微粒的存在是涂层呈现疏水性的关键，但过量的纳米Al2O3 微粒，则破坏了聚酯与固化剂的成膜反应。可以通过正交等试验，均衡涂层的疏水性与物理机械性能，确定纳米Al2O3 微粒用量的最佳点。
3.4 涂层表面的微观状态及性能
图1 表明：涂层表面被纳米Al2O3 微粒均匀覆盖，具有仿荷叶表面结构的微观构造；
从图3 可以看出：涂层对钢铁基材的覆盖很好，没有任何Fe 信号，强的F 信号说明，涂层表面富集氟硅烷、密布活性纳米Al2O3 微粒，这些也从涂层的表面微观结构上揭示了涂层的超疏水性。
3.5 涂层物理机械性能
表2 数据表明：添加适量纳米Al2O3 微粒并没有降低涂层的主要物理机械性能，但对涂层的外观、表面光泽度有明显影响，这与纳米粒子的小尺寸效应有直接关系。
对涂层进行耐刮擦试验时发现：涂层表面的纳米结构极易遭到破坏，直接表现是涂层疏水性降低甚至消失，与早期疏水性涂层遭到水流强烈冲刷、人工揉擦后疏水性消失类似。
这说明自清洁粉末涂层表面的纳米微粒与树脂基料缺少牢固结合，涂层的柔韧性、表面硬度等性能偏低，还需要通过进一步的试验来改进。
4 结语
在液体自清洁涂料研究与应用取得重大成果的促进下，笔者与正菱公司对自清洁粉末涂料进行了一系列试验研究并获得积极进展［8-9］。
自清洁粉末涂层性能检测及表征结果说明：添加活性纳米Al2O3 微粒实现了粉末涂层表面的超疏水性。
针对试验中存在的涂层表面纳米结构易损伤等问题，今后应在纳米粒子修饰材料选择、修饰工艺以及涂料干混工艺优化等方面进行更深入的研究。
