随着科学技术的不断发展,人们对材料性能的要求越来越高。近年来,一种具有超疏水性能的表面,因其广泛的应用和诱人的前景引起了各国学者的极大关注。尽管目前超疏水表面的制备方法多种多样,但由于工艺的限制,使该涂膜尚未得到普遍应用。因此探索工艺简单、成本低廉、性能优良、并且能实际应用于大面积超疏水表面的制备方法是目前该领域的研究难点。本文依据植物学中的“荷叶效应”原理,基于粒子设计的思想,通过探讨复合粒子形状对粗糙涂膜表面微观结构和表面疏水性能的影响,将纳米复合粒子技术、溶胶-凝胶法和有机-无机乳液复合技术相结合制备具有不同形状的乳液复合粒子,利用含氟硅丙烯酸酯乳液自分层功能赋予涂膜低表面能,利用特殊形状复合粒子赋予涂膜表面不同的微观结构,从而产生不同的疏水性能。首先采用核壳乳液聚合法,制备了含有疏水性基团-CF3的自分层低表面能氟化乳液,研究了聚合工艺条件和有机氟硅单体种类对涂膜表面疏水性能的影响,利用X射线光电子能谱(XPS)分析涂层的组成和梯度分布,结果表明氟硅改性的丙烯酸酯乳液涂膜中,含氟组分有明显向表面迁移的现象,在涂膜表层中呈梯度分布,而有机硅呈现双向分布;少量有机硅氧烷C-1757和功能单体的加入对有机氟趋表能力起到协同促进作用,可以明显提高涂膜的表面水接触角。该乳液成膜后,对水的接触角达到106°,具有较好的疏水性。采用有机无机复合技术,以溶胶-凝胶法制备的单分散SiO2粒子为种子,以反应型阴离子乳化剂和非离子型乳化剂复配,制备了纳米SiO2/丙烯酸酯复合乳液和纳米SiO2 /含氟硅丙烯酸酯疏水性复合乳液。对复合乳液的稳定性、复合粒子形态和复合机理进行了讨论。用透射电镜研究有机氟、含不饱和双键的硅氧烷改性对有机-无机杂化乳液结构形态的影响,结果表明,SiO2用量和粒径大小、乳化剂和氟硅单体对能否实现包覆和复合粒子形状有较大影响。在以80nm未改性纳米SiO2粒子为种子的纯丙烯酸酯单体乳液聚合中,其粒子形态为球状的有机聚合物环绕在无机粒子周围的花瓣型结构,随着粒子用量的增多,壳层形状逐渐变得规则,厚度逐渐变小,复合乳胶粒粒径变小且均匀。加入氟硅单体后所制备的复合乳胶粒呈现草莓状和双半球状两种形态,而对于改性SiO2呈现双半球状和雪人状两种形态。这是由于其聚合机理不同而造成的,对于未改性SiO2/丙烯酸单体的复合乳液,聚合物沉积机理占主导地位,加入氟硅单体后,由于有机硅氧烷的改性和架桥作用,使得体系中聚合物沉积机理和表面接枝机理分别在不同的阶段占主导作用。当SiO2粒子改性后,表面接枝机理成为主导。用原子力显微镜(AFM)研究纳米粒子的聚集对涂膜表面形貌的影响,由单分散纳米SiO2得到的复合乳液,表面粗糙度随粒子粒径和加入量的不同而有不同的变化。XPS分析结果表明,在有机硅单体C-1757和纳米SiO2粒子共同存在时,涂膜中含氟硅聚合物向表面迁移程度略微高于纯氟硅改性的有机乳液涂膜中氟硅聚合物的表面迁移程度。在没有有机硅单体C-1757的情况下,单独使用未改性纳米SiO2粒子制备的有机-无机杂化乳液,涂膜中含氟硅聚合物向表面迁移程度受到抑制。通过接枝法制备出类似草莓结构的不同分级尺寸复合粒子,并利用低表面能的氟硅氧烷在涂膜表面的自组装功能对涂膜进行表面修饰,采用水接触角测试仪和AFM测试表征薄膜表面形貌、表面粗糙度、疏水性和粒子大小及形状的关系,发现单一粒径涂膜表面疏水性能符合Wenzel模型,而由复合粒子组成的涂膜表面构成了符合Cassie模型的非均相界面,单纯的粗糙度因子不能反映水接触角的变化。由膜表面结构和粗糙度对润湿性影响的实验结果,结合理论分析可知,复合粒子较单一粒子更容易实现表面超疏水,随着分级结构级数的增加,表面会变得越来越疏水。在探索表面微观结构与疏水性能关系的基础上,通过分步添加无机粒子的乳液聚合法制备了具有“梅花”状的不规则形状复合粒子,水接触角由光滑表面106°提高到154°。并以工艺简单的溶胶-凝胶法为基础,进行了工艺改进,将有机-无机乳液复合与溶胶-凝胶技术相结合,制备了表面覆有SiO2粒子的草莓状复合粒子,水接触角由106°提高到158°,同时滚动角降低至5°以下。这种草莓状复合粒子使涂膜表面具有类似荷叶表面微观结构的分级粗糙结构,从而实现了超疏水性能。并运用分形的方法进行了分维的计算及分形性的评价,结果表明:复合涂层表面的分级粗糙结构具有明显的分形特征,润湿行为符合以分形参数为基础建立的粗糙表面水接触角方程。对于分级粗糙结构表面,分形尺寸较粗糙度因子能更好地反映表面形貌对水接触角的影响。