聚硅氧烷超疏水表面制備及性能研究.pdf

1、超疏水表面由于對水展現(xiàn)出非常高的接觸角和很低的接觸角滯后(滾動角)，在自清潔、防冰、防腐蝕、減阻、油水分離等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。目前已經(jīng)制備了很多性能優(yōu)異的超疏水表面，不過其實際應(yīng)用仍有不少亟待解決的問題：制備方法上，一些已有的手段實用性較差，只適用于實驗室研究而無法方便地得到大面積的超疏水表面；穩(wěn)定性上，超疏水表面的穩(wěn)定性受組成材料的影響，普通碳鏈聚合物在受熱、戶外應(yīng)用時容易失去疏水性。因此選擇合適的材料，開發(fā)操作方便、

2、重復(fù)性好、能大面積施工的超疏水表面制備方法，得到穩(wěn)定性優(yōu)良的超疏水表面十分有必要。聚硅氧烷主鏈為Si-O-Si，不易被紫外光和臭氧分解，比其他高分子材料有更好的熱穩(wěn)定性、耐輻照性和耐候能力，而且其鏈上含有疏水基團，制備超疏水表面時無需疏水化處理。本文選取聚硅氧烷為主要材料，研究材料、制備方法對表面結(jié)構(gòu)、疏水性能和穩(wěn)定性的影響，開發(fā)簡單、實用化的制備方法，獲得性能穩(wěn)定的超疏水表面，為超疏水表面的應(yīng)用提供實踐依據(jù)。
　　本文首先進行了

3、聚丙基-甲基倍半硅氧烷(PPMSSQ)超疏水薄膜的制備方法研究。利用溶膠-凝膠過程中失穩(wěn)分解引起的相分離，在兩片載玻片間的密閉空間制備PPMSSQ凝膠，分離后得到多孔薄膜。薄膜的表面粗糙程度受相分離的影響，隨添加氨水量增加而增大。氨水較多時，薄膜表面與水的接觸從Wenzel態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie態(tài)，可獲得超疏水PPMSSQ薄膜。但該方法實用性較差，為使制備PPMSSQ超疏水薄膜的方法更加實用化，研究了溶膠鍍膜時前體中甲基三乙氧基硅烷(MT

4、EOS)與丙基三乙氧基硅烷(PTEOS)比例、老化、外加水等條件對PPMSSQ溶膠形態(tài)、薄膜形貌及疏水性的影響。結(jié)果表明，PPMSSQ溶膠未經(jīng)老化時，毛細(xì)作用力引起薄膜表面孔洞塌縮，得不到超疏水性；PPMSSQ溶膠老化后，為延緩凝膠過量加入的溶劑降低了溶膠骨架與溶劑間的相分離程度，鍍膜表面粗糙程度降低，也得不到超疏水性；在老化溶膠中加入水能夠有效地誘導(dǎo)溶膠骨架與溶劑發(fā)生相分離，相互簇集，提高鍍膜表面的粗糙度；提高PTEOS的比例可以增加

5、溶膠骨架與溶劑間的不相容性，粗糙鍍膜表面，而且丙基的空間位阻可以降低反應(yīng)速度，避免過早凝膠，但是PTEOS濃度過高時，又會引起溶膠骨架與溶劑間極性相差過大而過早宏觀分相；當(dāng)PTEOS：MTEOS體積比為3:7時，PPMSSQ老化溶膠能在加入水后有效簇集，骨架簇集程度隨加入水的增多而增大；加入適量水時，提拉得到的薄膜有合適的表面微米納米粗糙結(jié)構(gòu)，獲得接觸角大于155°、滾動角小于10°的超疏水薄膜。因而得到了實用化的制備PPMSSQ超疏水

6、薄膜的方法，水誘導(dǎo)相分離法。
　　其次對水誘導(dǎo)相分離PPMSSQ超疏水薄膜的熱穩(wěn)定性及失效機理進行了研究。PPMSSQ超疏水薄膜在200℃以下處理能夠保持超疏水性，200℃以上隨熱處理溫度的升高逐步失去超疏水性。SEM、FTIR、TG-DTA分析表明超疏水性消失來自于凝膠骨架納米粒子間的融合和疏水基團分解的共同作用。
　　本文又進行了熱穩(wěn)定超疏水涂層的制備與研究。合成了具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性的聚苯基倍半硅氧烷(PPSQ)，XRD、

7、29Si CP-MAS NMR、FTIR表征證實其分子鏈均具有典型的梯形結(jié)構(gòu)，結(jié)合苯基的耐熱性，PPSQ相比于其他聚硅氧烷(DowCorning840硅樹脂與RTV硅橡膠)有更好的耐熱性能，500℃以下空氣氣氛中穩(wěn)定?？諝鈬娡亢{米SiO2的PPSQ分散液，研究SiO2添加量對SiO2/PPSQ涂層表面形貌及疏水性的影響，獲得SiO2/PPSQ超疏水涂層，其表面微米結(jié)構(gòu)源于噴涂法對霧化粒子外形的保持(強制干燥效應(yīng))，納米結(jié)構(gòu)來自較多納米

8、SiO2的添加。不添加納米SiO2，制備了良溶劑.不良溶劑法PPSQ超疏水涂層，其微米結(jié)構(gòu)同樣源自噴涂法強制干燥效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)來自PPSQ的微相分離。研究了這兩種超疏水涂層的熱穩(wěn)定性，良溶劑-不良溶劑法PPSQ超疏水涂層200℃以上失去超疏水性，而SiO2/PPSQ涂層的超疏水性在500℃空氣氣氛處理后依舊保持。SEM觀測及FTIR分析表明前者的失效由PPSQ的熱軟化和融合引起涂層表面粗糙結(jié)構(gòu)消失所致，后者優(yōu)異的熱穩(wěn)定性得益于SiO2剛

9、性的粗糙結(jié)構(gòu)，以及PPSQ分子優(yōu)異的耐熱性能。表明在超疏水結(jié)構(gòu)中摻入剛性納米粒子有助于提高其熱穩(wěn)定性，另外熱穩(wěn)定超疏水SiO2/PPSQ涂層有望在需要耐熱的場合應(yīng)用。
　　目前超疏水表面的功能性主要來源于表面疏水性與粗糙結(jié)構(gòu)，本文最后引入功能性納米粒子，探索研究賦予超疏水表面功能性的其他途徑。研究了導(dǎo)電碳黑(CB)EC-300在室溫固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡膠體系中的分散。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選醋酸丁酯為溶劑，BYK9077為潤濕

10、分散助劑，砂磨使EC-300良好分散，并添加具有導(dǎo)磁性的納米Ni粒子，空氣噴涂制備Ni/CB/PDMS涂層。一定CB添加量下，研究Ni添加量對涂層表面形貌，疏水性和電磁屏蔽能力的影響。結(jié)果顯示，由于添加了納米顆粒，涂層表面具有納米結(jié)構(gòu)，而增加Ni含量能夠減小霧化涂料顆粒飛抵基底后的流動性和相互融合的可能，增加涂層表面微米突起的高度，使涂層表面的三相接觸線從連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)，從而實現(xiàn)涂層潤濕性從高粘附力向低粘附力態(tài)轉(zhuǎn)變。同時，添加更多Ni粒