摻雜氟化聚合物-硅溶膠超疏水復(fù)合涂層的制備及性能研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高。近年來(lái)，一種具有超疏水性能的表面，因其誘人的特點(diǎn)引起了各國(guó)學(xué)者的極大關(guān)注。一般說(shuō)來(lái)，超疏水性表面可以通過(guò)兩種方法制備：一種是在低表面能材料的表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)；另一種是在粗糙的表面上修飾低表面能的物質(zhì)。目前，超疏水表面材料的制備由于工藝的限制，以及粗糙表面的構(gòu)建通常會(huì)影響到材料的使用性能，使該材料尚未得到普遍應(yīng)用。因此采用簡(jiǎn)單的工藝條件制備具有良好使用性能的超疏水材料是該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)

2、。 本文首先采用溶液聚合法，制備了含有疏水性基團(tuán)-CF<,3>、-CH<,3>和-CH<,2>的低表面能氟化聚合物。該聚合物與高醚化度的三聚氰胺甲醛樹脂交聯(lián)成膜后，對(duì)水的接觸角達(dá)到102°，為疏水性涂層。然后，以工藝簡(jiǎn)單的溶膠-凝膠法原理為基礎(chǔ)，控制溶膠和凝膠的形成條件。在水量不足的酸性條件下，使有機(jī)/無(wú)機(jī)前驅(qū)體部分水解，控制了縮合過(guò)程，且延緩了疏水性有機(jī)樹脂引入到體系中產(chǎn)生相分離，制備了均勻穩(wěn)定的含溶膠體系的聚四氟乙烯摻雜氟化

3、聚合物/硅溶膠雜化材料。該材料在基材表面涂敷后，采用表面凝膠化處理技術(shù)，將凝膠過(guò)程限定在涂層的表面進(jìn)行。經(jīng)空氣中高溫交聯(lián)成膜，形成了具有微觀表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)部均勻密實(shí)的超疏水復(fù)合涂層。 分別采用FTIR、DSC和XRD等技術(shù)手段，對(duì)復(fù)合材料的特征和特性進(jìn)行了表征，采用SEM、TEM和XPS等對(duì)表面凝膠化處理技術(shù)進(jìn)行了分析討論。采用JC2000A靜滴接觸角/界面張力測(cè)量?jī)x分別測(cè)量了涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角和滾動(dòng)角。采用SEM、AFM和BE

4、T等對(duì)涂層的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并建立了相應(yīng)涂層的疏水性模型。最后，對(duì)涂層的力學(xué)性能和對(duì)水的抗?jié)B透性能進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，該復(fù)合涂層材料不僅具有良好的超疏水性能，而且具有優(yōu)異的使用性能。其研究得出的主要結(jié)論如下： 1、表面凝膠化技術(shù)處理的聚四氟乙烯摻雜氟化聚合物/硅溶膠復(fù)合涂層，表面和內(nèi)部化學(xué)元素的組成和組織結(jié)構(gòu)具有明顯的差異，表面凝膠化處理技術(shù)使涂層的凝膠化過(guò)程只在涂層表面發(fā)生，從而有效地避免了通常條件下凝膠材料干燥引起的開

5、裂。 2、在復(fù)合涂層中，經(jīng)表面凝膠化處理技術(shù)以后，使涂層表面生成了二氧化硅粒子，該粒子的直徑隨著凝膠化時(shí)間的增加，pH值的增大而減小。表面凝膠化生成的二氧化硅粒子和摻雜的聚四氟乙烯粒子形成聚集體。其形態(tài)為無(wú)定形的二氧化硅粒子和晶態(tài)的聚四氟乙烯粒子。 3、由于微米級(jí)聚四氟乙烯粒子的摻雜和納米級(jí)二氧化硅粒子的生成，涂層表面具有與天然荷葉類似的微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)，微米結(jié)構(gòu)的高度約為1μm，跨度大約為6.5μm左

6、右。納米結(jié)構(gòu)的尺度為300 nm左右。階層結(jié)構(gòu)僅在復(fù)合涂層表面5μm以內(nèi)生成，涂層內(nèi)部則均勻密實(shí)。復(fù)合涂層表面對(duì)水的最大接觸角達(dá)到155°，滾動(dòng)角最小為9°，為超疏水性涂層。 4、復(fù)合涂層具有與光滑氟化聚合物涂層相同的附著力、柔韌性和硬度。復(fù)合涂層的耐沖擊強(qiáng)度雖略有下降，但該強(qiáng)度仍然符合船舶、橋梁及鋼結(jié)構(gòu)對(duì)表面涂層沖擊強(qiáng)度的要求。經(jīng)電化學(xué)交流阻抗測(cè)試，與光滑氟化聚合物涂層相比，復(fù)合涂層具有更強(qiáng)的抗腐蝕性介質(zhì)滲透的能力。

7、5、建立了氟化聚合物涂層光滑表面的潤(rùn)濕行為，即基團(tuán)等概率分布排列模型，該模型較好地解釋了氟化聚合物涂層光滑表面的潤(rùn)濕行為。 6、對(duì)于復(fù)合涂層表面的潤(rùn)濕行為，在粗糙度較低時(shí)，基本接近Wenzel模型；而在粗糙度較高時(shí)，基本接近Cassie模型。假設(shè)復(fù)合涂層表面的微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)類似于Koch曲線所描述的分形結(jié)構(gòu)，并以分形結(jié)構(gòu)方程為基礎(chǔ)建立了復(fù)合涂層的超疏水分形結(jié)構(gòu)模型，該模型所得出的結(jié)果與復(fù)合涂層表面的潤(rùn)濕行為基