本發(fā)明涉及超疏水功能涂層的技術領域，具體涉及一種超疏水功能粉芯絲材及其在制備超疏水功能涂層中的應用。

背景技術：

超疏水現象是指表面與水接觸角大于150°，滾動角小于10°。由于超疏水表面具有特殊的潤濕特性，使其在工業(yè)裝置和建筑物的自清潔、高壓電氣設備的自清潔與防閃絡、生物醫(yī)學和仿生材料應用、管道防水與抗腐蝕、減阻節(jié)能、電力輸送塔架和電纜在冬季防冰雪等許多方面都有潛在應用前景。正是由于有如此的需求，因此研究新型超疏水材料及其涂層制備方法和應用極為重要，也引起了研究人員的極大興趣。

研究發(fā)現，固體表面的潤濕性能由其表面的化學組成和微觀幾何結構決定，表面粗糙結構和表面化學組成是超疏水性的必要條件，由于兩者的低機械穩(wěn)定性限制了超疏水表面在實際中的應用。目前，實現超疏水特性的表面技術很多，但工藝較復雜，同時也難以實現超疏水表面的大面積制備，無法實現工業(yè)化應用，因此找到一種操作方便，工藝簡單，重復性好、能大面積制備并利于工業(yè)化應用的超疏水功能涂層及其制備技術仍然是此領域亟待解決的一個問題。

熱噴涂技術是一種常用的材料表面處理技術，采用熱噴涂方法可以在金屬表面制備出具備各種功能的表面涂層，如耐蝕、耐磨、絕緣、超硬等性能，且熱噴涂具有不受工件尺寸和施工場所的限制、沉積效率較高以及對基體材料的熱影響小的特點，適合涂層的大規(guī)模產業(yè)化制備。其中，利用粉芯絲材制備涂層的電弧噴涂、絲材火焰噴涂技術是熱噴涂功能涂層的重要發(fā)展方向。

如公開號為CN103924182A的中國專利文獻公開了一種含稀土鎳基粉芯絲材、涂層的制備與應用，公開的粉芯成分質量百分比為：純金屬鉻粉30-35％，鎳硼粉10-31％，稀土0.1-0.3％，鎳為余量；粉芯絲材外皮所用帶材為80Ni-20Cr帶；粉芯絲材填充率32％。

又如公開號為CN104032251A的中國專利文獻公開了一種粉芯絲材及其制備方法和應用，粉芯絲材由不銹鋼帶包覆粉芯制成，粉芯成分由其中元素粉末混合而成，其質量百分比含量范圍如下：30-50％Cr、2-10％B、1-5％Al、1-5％Si、3-15％Nb、2-10％Mo、余量為Fe，粉芯外皮選用不銹鋼帶，粉芯與不銹鋼帶的重量比為0.43-0.67：1。

目前采用的粉芯絲材均采用金屬材料，通過開發(fā)新型粉芯絲材，對未來開發(fā)多功能涂層具有重要意義。

技術實現要素：

本發(fā)明提供了一種新型的超疏水功能粉芯絲材，并利用熱噴涂技術制備得到超疏水功能涂層，該涂層具有極佳的超疏水性能及抗腐蝕性，在自清潔、海洋防污、抗玷污等領域具有較好的應用前景。

具體技術方案如下：

一種超疏水功能粉芯絲材，包括粉芯材料和包覆所述粉芯材料的金屬絲材外衣，所述的粉芯材料由金屬粉芯材料和高分子粉芯材料混合得到；

所述的金屬粉芯材料選自金屬鋁、銅、鎳、鉻或至少兩種所述的金屬組成的合金中的至少一種；

所述的高分子粉芯材料選自聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚氟乙烯(PVF)、氟碳樹脂、聚氨酯中的至少一種。

為實現超疏水功能，本發(fā)明中選擇的高分子粉芯材料均為疏水性極佳的高分子材料，而與高分子粉芯材料相匹配的金屬粉芯材料需要具有合適的熔點。熔點過高會導致熱噴涂過程中導熱過快，引起高分子粉芯材料的碳化；熔點過低又會導致熱噴涂過程中高分子粉芯材料出現團聚，從而影響涂層的最終性能。

作為優(yōu)選，所述的金屬粉芯材料與高分子粉芯材料的質量比為0.25～9。熱噴涂過程中通過金屬粉芯材料的熔化產生熱量，優(yōu)選的質量比下，可以使高分子粉芯材料受熱均勻，在涂層中分布均勻，且不過分受熱而發(fā)生碳化。

進一步優(yōu)選，所述金屬粉芯材料的顆粒尺寸為40～200μm，高分子粉芯材料的顆粒尺寸為10～60μm。金屬粉芯與高分子粉芯顆粒尺寸的合理搭配，有利于高分子材料在噴涂過程中不過熱而碳化，且能充分保持其功能性如低表面能特性。

再優(yōu)選，所述金屬粉芯材料與高分子粉芯材料的質量比為1～4；金屬粉芯材料的顆粒尺寸大于高分子粉芯材料的顆粒尺寸。優(yōu)選條件下，高分子粉芯材料在混合粉芯中與金屬粉芯材料充分接觸，受熱更為均勻，利于噴涂過程中高分子材料功能的維持。

作為優(yōu)選，所述的金屬絲材外衣為金屬帶材，選自純鎳帶材、鎳合金帶材、不銹鋼帶材、鑄鐵帶材、鋁帶材、鋁合金帶材、銅帶材或銅合金帶材；

所述金屬帶材的寬度為8～12mm，厚度為0.2～0.3mm。

進一步優(yōu)選，所述粉芯材料與金屬絲材外衣的質量比為5～25:100。通過控制粉芯材料與金屬絲材外衣質量比，即包粉率，有利于調控粉芯絲材的致密程度，粉芯絲材合適的致密度有利于粉芯在噴涂過程中的充分熔融。包粉率過低，噴涂過程中粉芯易被吹散，不能沉積到涂層上；包粉率過高則會導致絲材拉拔過程中絲材斷裂。

本發(fā)明還公開了一種超疏水功能涂層的制備方法，以上述的超疏水功能粉芯絲材為原料，具體步驟如下：

(1)、將金屬材料粉芯與高分子材料粉芯混合并烘干得到粉芯材料，再包覆金屬絲材外衣，得到粉芯絲材；

(2)采用熱噴涂技術，將步驟(1)得到的粉芯絲材噴涂在預處理的基體表面，得到超疏水功能涂層。

作為優(yōu)選，步驟(1)中，所述粉芯絲材的直徑為1～3mm。

作為優(yōu)選，步驟(2)中，所述的基材選自金屬、陶瓷、玻璃或塑料；基材的預處理包括清洗、除油除銹和表面粗化。

所述表面粗化方法為噴砂、車螺紋、滾花和電拉毛。

作為優(yōu)選，步驟(2)中，所述的熱噴涂包括電弧噴涂、超音速電弧噴涂或絲材火焰噴涂。

進一步優(yōu)選，所述的熱噴涂為超音速電弧噴涂，噴涂電流為100～400A，噴涂電壓為20～50V，壓縮空氣壓力為0.4～1MPa，噴涂距離為100～300mm，電弧槍移動速度為10～300mm，噴涂遍數為2～10次。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)勢：

1、本發(fā)明提供了一種新型的粉芯絲材，其中的粉芯材料由具有疏水功能的高分子粉芯材料匹配特定種類的金屬粉芯材料組成，經熱噴涂工藝制備的超疏水涂層，接觸角大于150°，具有良好的自清潔性，以及極佳的抗腐蝕性，可應用于多種工業(yè)零部件外表面和管道內壁等需要自清潔、海洋防污、抗玷污等各種場合；

2、本發(fā)明中采用的熱噴涂工藝，工藝簡單，效率高，可以在非平面復雜結構基底上大面積的制備涂層，且涂層與基體結合良好，適合現場施工，成本低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基體表面的超疏水功能涂層剖面結構示意圖；

1-高分子粉芯材料，2-金屬粉芯材料，3-基體；

圖2為實施例1制備的超疏水功能涂層表面及斷面掃描電鏡圖；(a)表面微結構；(b)斷面形貌；

圖3為實施例1制備的超疏水功能涂層表面接觸角測量結果圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述:

為表征本發(fā)明中一種超疏水功能涂層的性能，利用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、鹽霧試驗箱、接觸角測試儀等對制備獲得的涂層樣品進行表征，以下是具體的性能檢測方法。

(1)形貌觀察：

表面微觀形貌觀察：將制備的樣品置于去離子水溶液中超聲處理30min，然后80℃烘干，最后表面噴Au，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察其表面微觀形貌。斷面微觀形貌觀察：將制備的樣品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙打磨、拋光，然后置于去離子水溶液中超聲處理5min，吹干，最后表面噴Au，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察其斷面微觀形貌。

(2)鹽霧試驗檢測方法：

根據標準ISO 9227：1990《人造氣氛腐蝕試驗-鹽霧試驗》進行。根據標準要求，試驗采用去離子水配制的化學純NaCl溶液，濃度為50g/L±5g/L，用鹽酸或氫氧化鈉調整溶液pH值，確保其范圍在6.7～7.2之間。在25℃時，溶液的密度在1.0255～1.0400范圍內。鹽霧試驗樣品的尺寸為30mm×20mm×3mm，鹽霧試驗程序如下：

(a)將噴涂上本發(fā)明的超疏水功能涂層樣品和未噴涂復合涂層的樣品先用洗滌劑清洗，再用清水泡洗，最后放入無水乙醇中用超聲波清洗儀清洗，四周采用熱膠封邊；(b)將實驗樣品取出來風干1小時，然后用流動清水沖洗，最后用吹風機將其吹干；(c)將試樣放置在角度為45°的標準塑料支架上；(d)鹽霧試驗周期依據所檢測樣品確定，中間檢查為12小時一次，樣品取出頻率與試驗周期相同；(e)鹽霧箱內溫度為35℃±2℃，噴霧空氣壓力為1kgf/cm²，通過調節(jié)鹽霧沉降的速度，經24h噴霧后每80cm²面積上為1～2ml/h；(f)利用數碼相機對鹽霧試驗樣品進行腐蝕形貌觀察。

(3)接觸角測試：

利用接觸角測試儀對涂層樣品進行表面的水接觸角測試，以考察其超疏水功能。

實施例1：

本實施例中，基體材料為316L不銹鋼，涂層與基體結合力良好，涂層厚度為250μm。該超疏水功能涂層的具體制備方法：

(1)粉芯絲材制備：粉芯絲材外衣為316L不銹鋼，鋼帶寬度為12mm，厚度0.3mm，粉芯為金屬純鋁與聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金屬純鋁尺寸為40～60μm，聚四氟乙烯粉末為12μm，金屬純鋁與聚四氟乙烯的質量比為6:4，粉芯絲材尺寸為直徑2mm，包粉率10wt.％。

(2)涂層制備：采用超音速電弧噴涂工藝制備，具體噴涂參數為：電流120A，電壓40V，壓縮空氣壓力0.8MPa，噴涂距離為200mm，電弧槍移動速度25mm/s，噴涂遍數3遍。

(3)涂層性能表征：涂層表面微結構可觀察到高分子聚四氟乙烯材料與金屬材料在涂層中形成互鎖，聚四氟乙烯均勻分布于涂層中(圖2所示)，涂層厚度為250μm；涂層接觸角150.3°，實現了超疏水功能(圖3所示)。

對比例：

本對比例中，基體材料為鑄鐵，涂層與基體結合力較差，涂層厚度為300μm。對比例具體制備參數如下：

(1)粉芯絲材制備：粉芯絲材外衣為316L不銹鋼，鋼帶寬度為12mm，厚度0.3mm，粉芯為金屬純鋁與聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金屬純鋁尺寸為20μm，聚四氟乙烯粉末為80μm，金屬純鋁與聚四氟乙烯的質量比為6:4，粉芯絲材尺寸為直徑2mm，包粉率10wt.％。

(2)涂層制備：采用超音速電弧噴涂工藝制備，具體噴涂參數為：電流120A，電壓40V，壓縮空氣壓力0.8MPa，噴涂距離為200mm，電弧槍移動速度25mm/s，噴涂遍數3遍。

(3)涂層性能表征：涂層表面可觀察到未充分熔融的高分子聚四氟乙烯材料，涂層表面均勻性較差；涂層接觸角83°，未能實現超疏水功能。

實施例2：

本實施例中，基體材料為鑄鐵，涂層與基體結合力良好，涂層厚度為300μm。該超疏水功能涂層的具體制備方法：

(1)粉芯絲材制備：粉芯絲材外衣為純鋁，鋁帶寬度為8mm，厚度0.3mm，粉芯為金屬純鋁與聚全氟乙丙烯的混合粉末，其中，金屬純鋁尺寸為40～60μm，聚全氟乙丙烯粉末為5～10μm，金屬純鋁與聚全氟乙丙烯的質量比為5:5，粉芯絲材尺寸為直徑2mm，包粉率15wt.％。

(2)涂層制備：采用超音速電弧噴涂工藝制備，具體噴涂參數為：電流100A，電壓38V，壓縮空氣壓力0.8MPa，噴涂距離為250mm，電弧槍移動速度25mm/s，噴涂遍數4遍。

(3)涂層性能表征：涂層表面微結構可觀察到高分子聚全氟乙丙烯材料與金屬材料在涂層中形成互鎖，聚全氟乙丙烯均勻分布于涂層中；涂層接觸角151.5°，實現了超疏水功能；鹽霧試驗表明，具備該超疏水涂層的樣品可耐中性鹽霧試驗800小時，且未發(fā)生基體腐蝕現象。

實施例3：

本實施例中，基體材料為鑄鐵，涂層與基體結合力良好，涂層厚度為300μm。該超疏水功能涂層的具體制備方法：

(1)粉芯絲材制備：粉芯絲材外衣為鎳鉻合金帶材，帶材寬度為12mm，厚度0.3mm，粉芯為金屬鎳鉻合金粉末與聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金屬鎳鉻合金粉末為40～60μm，聚四氟乙烯粉末為25μm，金屬鎳鉻合金粉末與聚四氟乙烯的質量比為8:2，粉芯絲材尺寸為直徑2mm，包粉率25wt.％。

(2)涂層制備：采用超音速電弧噴涂工藝制備，具體噴涂參數為：電流150A，電壓40V，壓縮空氣壓力0.8MPa，噴涂距離為300mm，電弧槍移動速度50mm/s，噴涂遍數5遍。

(3)涂層性能表征：涂層表面微結構可觀察到高分子聚四氟乙烯材料與金屬材料在涂層中形成互鎖，且均勻分布于涂層中；涂層接觸角153.5°，實現了超疏水功能；鹽霧試驗表明，具備該超疏水涂層的樣品可耐中性鹽霧試驗800小時，且未發(fā)生基體腐蝕現象。

實施例4：

本實施例中，基體材料為鑄鐵，涂層與基體結合力良好，涂層厚度為300μm。該超疏水功能涂層的具體制備方法：

(1)粉芯絲材制備：粉芯絲材外衣為鎳鉻合金帶材，帶材寬度為12mm，厚度0.3mm，粉芯為金屬鎳鉻合金粉末、純鋁與聚四氟乙烯的混合粉末，其中，金屬鎳鉻合金粉末為40～60μm，純鋁粉末為40～60μm，聚四氟乙烯粉末為25μm，金屬鎳鉻合金粉末、純鋁與聚四氟乙烯的質量比為3:4:3，粉芯絲材尺寸為直徑2mm，包粉率22.3wt.％。

(2)涂層制備：采用超音速電弧噴涂工藝制備，具體噴涂參數為：電流120A，電壓40V，壓縮空氣壓力0.8MPa，噴涂距離為300mm，電弧槍移動速度25mm/s，噴涂遍數4遍。

(3)涂層性能表征：涂層表面微結構可觀察到高分子聚四氟乙烯材料與金屬鎳鉻或鋁材料在涂層中形成互鎖，且均勻分布于涂層中；涂層接觸角151.5°，實現了超疏水功能；鹽霧試驗表明，具備該超疏水涂層的樣品可耐中性鹽霧試驗800小時，且未發(fā)生基體腐蝕現象。