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超疏水表面在防污、抗菌、防冰等领域具有重要的应用前景,近年来受到了学术界以及工业生产领域的广泛关注。但是,大多数报道的超疏水表面处于亚稳态,稳定性差,在机械刮擦、摩擦或化学腐蚀等作用下容易失去超疏水性,从而限制了超疏水表面材料的实际应用。赋予超疏水表面自修复功能有望解决这一问题。本研究拟采用可形成形状记忆效应的环氧树脂聚合物,使其在固化过程中形成制备超疏水表面所需要的粗糙结构,以此粗糙结构作为环氧树脂的永久形状,成为“形状记忆点”。同时利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及十八胺(ODA)的低表面能性复合通过气溶胶辅助化学气相沉积法(AACVD)或浸渍法制备超疏水涂层。主要研究内容及所得结果如下:
(1)采用AACVD技术在程序控温的条件下,将形状记忆环氧树脂(EP)和PDMS的混合物通过层层组装法沉积到玻璃表面,利用沉积物产生的微纳双阶粗糙结构以及PDMS的低表面能性质,构筑具有粗糙结构自修复功能的超疏水涂层。研究沉积温度对涂层表面形貌和润湿性的影响;探索沉积液的总体积、沉积层数、EP与PDMS体积比对涂层表面疏水性的影响;采用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层的表面形貌;使用视频光学接触角测量仪(OCA)测量涂层表面的润湿性;通过X射线光电子能谱(XPS)对涂层表面的化学元素进行分析。考察砂纸摩擦、双面胶粘贴-剥离、铅笔以及小刀刮划、紫外光照、化学溶剂浸渍等手段对涂层表面超疏水稳定性的影响。结果表明,制备的超疏水涂层经2m长的砂纸摩擦、250次的双面胶粘贴.剥离、4H铅笔以及小刀刮划,144h紫外光照,30天强酸、强碱、盐溶剂浸渍后,依然具有超疏水性。此外,制备的超疏水涂层经外压作用造成表面粗糙结构被破坏并失去超疏水性后,在85℃加热处理3min可恢复表面粗糙结构从而修复超疏水性,说明所得超疏水涂层具有自修复性。
(2)采用气溶胶辅助化学气相沉积法将形状记忆EP、PDMS和ODA的共混液沉积到玻璃表面,利用沉积物产生的微纳双阶粗糙结构以及疏水物质PDMS和ODA的低表面能性质,构筑可实现微纳粗糙结构和低表面能性质双重自修复功能的超疏水涂层。分别使用SEM、OCA以及XPS对涂层表面的微观形貌、润湿性以及化学元素进行分析。研究沉积温度、ODA用量、沉积物总体积对涂层表面疏水性的影响;考察外界环境破坏对涂层表面超疏水稳定性的影响。结果表明,制备的超疏水涂层可耐2m长的砂纸摩擦、250次双面胶粘贴-剥离循环过程、720h紫外光照,以及72h强酸、强碱及盐溶液浸渍,表现出优异的超疏水持久稳定性。同时,当外压作用使涂层表面的微观粗糙结构被破坏而失去超疏水性后,在85℃加热处理3min,表面被破坏的微纳粗糙结构可恢复,从而修复超疏水性。经空气等离子体刻蚀使涂层表面的低表面能疏水基团遭到破坏失去超疏水性后,在85℃加热处理5min可恢复涂层的超疏水性。
(3)以涤纶纤维为基材,采用溶液浸渍法将EP、PDMS和ODA的共混液涂覆到涤纶织物表面,利用ODA分子的自组装作用产生的微纳粗糙结构以及PDMS和ODA的低表面能性质,制备具有微纳双阶粗糙结构和低表面能性质双重自修复功能的纺织品超疏水涂层。采用SEM对涂层表面微观形貌进行观察;使用OCA测量涂层表面的润湿性;通过XPS对涂层表面的化学元素进行分析。研究PDMS和ODA的浓度以及浸渍时间对涂层表面疏水性的影响。结果表明,所制备的超疏水涂层可耐8000次机械摩擦、100次家庭水洗、144h紫外光照以及72h酸、碱、盐溶液的浸泡。同时,当外压作用使涂层表面的微观粗糙结构被破坏而失去超疏水性时,在45℃加热处理10min,表面被破坏的微纳粗糙结构可恢复从而修复超疏水性。经空气等离子体刻蚀使涂层表面的化学能遭到破坏失去超疏水性后,在45℃加热处理5min可恢复超疏水性。
综上所述,将形状记忆聚合物与低表面能物质进行复合构筑微纳双阶粗糙结构表面,利用形状记忆聚合物对微观物理结构的记忆功能以及低表面能聚合物的分子链翻转作用和低表面能小分子的迁移,可实现超疏水表面的粗糙结构和低表面能性质的修复或双重修复。本研究为持久稳定超疏水表面的研究开辟了一条新的途径,并奠定了一定的科学研究和应用实践基础,有望推动超疏水表面材料向实际应用的迈进。
(1)采用AACVD技术在程序控温的条件下,将形状记忆环氧树脂(EP)和PDMS的混合物通过层层组装法沉积到玻璃表面,利用沉积物产生的微纳双阶粗糙结构以及PDMS的低表面能性质,构筑具有粗糙结构自修复功能的超疏水涂层。研究沉积温度对涂层表面形貌和润湿性的影响;探索沉积液的总体积、沉积层数、EP与PDMS体积比对涂层表面疏水性的影响;采用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层的表面形貌;使用视频光学接触角测量仪(OCA)测量涂层表面的润湿性;通过X射线光电子能谱(XPS)对涂层表面的化学元素进行分析。考察砂纸摩擦、双面胶粘贴-剥离、铅笔以及小刀刮划、紫外光照、化学溶剂浸渍等手段对涂层表面超疏水稳定性的影响。结果表明,制备的超疏水涂层经2m长的砂纸摩擦、250次的双面胶粘贴.剥离、4H铅笔以及小刀刮划,144h紫外光照,30天强酸、强碱、盐溶剂浸渍后,依然具有超疏水性。此外,制备的超疏水涂层经外压作用造成表面粗糙结构被破坏并失去超疏水性后,在85℃加热处理3min可恢复表面粗糙结构从而修复超疏水性,说明所得超疏水涂层具有自修复性。
(2)采用气溶胶辅助化学气相沉积法将形状记忆EP、PDMS和ODA的共混液沉积到玻璃表面,利用沉积物产生的微纳双阶粗糙结构以及疏水物质PDMS和ODA的低表面能性质,构筑可实现微纳粗糙结构和低表面能性质双重自修复功能的超疏水涂层。分别使用SEM、OCA以及XPS对涂层表面的微观形貌、润湿性以及化学元素进行分析。研究沉积温度、ODA用量、沉积物总体积对涂层表面疏水性的影响;考察外界环境破坏对涂层表面超疏水稳定性的影响。结果表明,制备的超疏水涂层可耐2m长的砂纸摩擦、250次双面胶粘贴-剥离循环过程、720h紫外光照,以及72h强酸、强碱及盐溶液浸渍,表现出优异的超疏水持久稳定性。同时,当外压作用使涂层表面的微观粗糙结构被破坏而失去超疏水性后,在85℃加热处理3min,表面被破坏的微纳粗糙结构可恢复,从而修复超疏水性。经空气等离子体刻蚀使涂层表面的低表面能疏水基团遭到破坏失去超疏水性后,在85℃加热处理5min可恢复涂层的超疏水性。
(3)以涤纶纤维为基材,采用溶液浸渍法将EP、PDMS和ODA的共混液涂覆到涤纶织物表面,利用ODA分子的自组装作用产生的微纳粗糙结构以及PDMS和ODA的低表面能性质,制备具有微纳双阶粗糙结构和低表面能性质双重自修复功能的纺织品超疏水涂层。采用SEM对涂层表面微观形貌进行观察;使用OCA测量涂层表面的润湿性;通过XPS对涂层表面的化学元素进行分析。研究PDMS和ODA的浓度以及浸渍时间对涂层表面疏水性的影响。结果表明,所制备的超疏水涂层可耐8000次机械摩擦、100次家庭水洗、144h紫外光照以及72h酸、碱、盐溶液的浸泡。同时,当外压作用使涂层表面的微观粗糙结构被破坏而失去超疏水性时,在45℃加热处理10min,表面被破坏的微纳粗糙结构可恢复从而修复超疏水性。经空气等离子体刻蚀使涂层表面的化学能遭到破坏失去超疏水性后,在45℃加热处理5min可恢复超疏水性。
综上所述,将形状记忆聚合物与低表面能物质进行复合构筑微纳双阶粗糙结构表面,利用形状记忆聚合物对微观物理结构的记忆功能以及低表面能聚合物的分子链翻转作用和低表面能小分子的迁移,可实现超疏水表面的粗糙结构和低表面能性质的修复或双重修复。本研究为持久稳定超疏水表面的研究开辟了一条新的途径,并奠定了一定的科学研究和应用实践基础,有望推动超疏水表面材料向实际应用的迈进。