PMHS改性纳米环氧树脂粒子超疏水涂层的制备及其性能研究

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超疏水表面独特的性能使其在自清洁、防腐蚀、减阻等领域具有广阔的应用前景,一直以来都是科研人员研究的重要课题。在超疏水性能研究中发现,影响表面疏水性能的因素主要有两个:一是表面材料的化学性质,二是构成表面的微观结构。基于此,研究者们制备出了各种仿生超疏水涂层,但大多数超疏水涂层很难在实际中得到应用,这主要有两个方面的原因:一是超疏水涂层制备成本高、工艺复杂;二是大多数超疏水涂层只重视了其超疏水性,而忽略了工程应用中所必要的其他性能。所以,本论文通过简单的工艺实现了超疏水涂层的制备,在追求涂层具有超疏水性能的同时,对涂层的耐热性、防腐蚀、自清洁性等性能也进行了研究,为实现超疏水表面的工业应用奠定基础。本文首先用硅烷偶联剂(KH550)对环氧树脂(E-44)进行改性,制备了易水解的改性环氧树脂,当环氧树脂与KH550质量比为1:2时,改性环氧树脂的环氧基吸收峰彻底消失,并有强烈的Si-OC2H5吸收峰产生,表明KH550对环氧树脂的改性反应较为完全;以改性环氧树脂为前驱体,通过水解、缩合制备环氧树脂粒子,以获得制备超疏水涂层的原料。详细研究了氨水用量、溶剂用量、反应温度对环氧树脂粒子粒径的影响。结果表明:反应温度的升高、溶剂用量的增加对环氧树脂粒子粒径减小有利,而氨水用量较少时对粒子粒径减小有利,用量过多则会导致体系中晶核的聚集生长,有利于粒子粒径的增大。用环氧树脂粒子制备涂层,通过扫描电镜(SEM)、接触角测量仪(CA)等仪器对涂层的性能进行表征。研究表明:环氧树脂粒子在涂层表面呈规则的球状,涂层表面具有微纳米粗糙结构,但疏水性较差,接触角仅为96°,这是由于环氧树脂粒子具有大量亲水基团所导致的。为了实现仿生超疏水表面的制备,我们用较小粒径的纳米环氧树脂粒子为原料,含氢硅油为低表面能改性剂,通过溶胶-凝胶法对环氧树脂粒子表面进行修饰,制备了疏水溶胶材料,用涂覆的方式在载玻片上制备涂层。研究了工艺条件对涂层表面疏水性能的影响,当含氢硅油(PMHS)用量为1 ml,氨水用量为8 ml,改性时间为6 h时,涂层疏水性能最佳,接触角为156°,滚动角为5°,达到了超疏水性能的要求。采用红外光谱仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)、接触角测试仪(CA)对超疏水涂层进行表征。扫描电镜(SEM)观察发现涂层表面由纳米级半球状的颗粒构成了分层粗糙结构,这是涂层表面具有超疏水性能的必要条件之一。对涂层的耐热性、自清洁性、耐腐蚀性等性能进行了测试,结果显示:涂层经500℃高温处理2 h后,其接触角仍能达到131°,展现了涂层良好的热稳定性;将涂层浸泡在pH值为1的盐酸溶液中,40 min后接触角值由156°降到147°,浸泡在pH值为14的氢氧化钠溶液中,80 min后接触角值由156°降到145°,浸泡在浓度为2 mol/L氯化钠溶液中,8 h后接触角值由156°降到153°,表明涂层在腐蚀环境中能够保持良好的疏水性能;自清洁性能试验中,通过水滴的滚动,表面的污秽能够迅速被带走,涂层具有类似荷叶表面的自清洁效果,将涂层反复浸泡到蓝色墨水溶液中,涂层表面没有出现被污染的现象,表明涂层具有优异的防污性能。最后,通过Wenzel和Cassiel两种模型从理论上分析微观结构对涂层疏水性能的影响,利用实验数据计算发现,水滴与本实验所制备的超疏水涂层表面相互接触时,是以Cassie状态存在于表面之上,水滴与表面的接触面积为10.04%,与空气的接触面积分数为89.96%。
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