仿生超疏水纳米材料/聚氨酯涂层的研究

【摘要】随着社会的进步与发展,超疏水性材料以其独特的性能,广泛的应用领域和重要的应用研究价值倍受人们关注。自然界中的众多现象,如荷叶的出淤泥而不染、昆虫能在水面行走、水鸟身体表面的羽毛不会被水润湿等都显示出优异的超疏水特性。这些超疏水性能主要取决于表面的特殊结构和表面的蜡状物。通过观察这些天然的超疏水实例,并研究这些天然的超疏水表面形成的内在机理,为构筑人工超疏水表面提供了许多现实依据,也为开发并研制具有多功能的超疏水表面提供了更多的设计思路。材料的表面润湿性能取决于材料的表面化学和表面形貌,因此控制材料的表面化学和表面形貌能有效的控制材料表面的润湿性能。当材料表面具有很低的表面自由能,材料即可表现出疏水性；同时材料表面的微观结构相对比较粗糙,也有利于使其表面对空气的包裹,形成固-气复合表面,同样也可以降低其表面的自由能,产生较好的疏水效果。根据荷叶表面微-纳米结构的特点,通过仿生的方法,采用不同原料,制备出分散液,采用喷涂工艺,结合组分间的相分离、自组装技术,构建出类似荷叶表面微-纳米粗糙结构的SiO2/PU超疏水涂层。聚氨酯材料性能优越,聚氨酯在涂层中主要起提高涂层力学强度的作用,使涂层与基材有很好的附着力,提高涂层的耐久性。第一种方法：首先干燥的聚丙二醇与甲苯二异氰酸酯在二月桂酸二丁基锡的催化下,对聚丙二醇进行功能化改性。然后加入羟基硅油进行扩链,制得湿固化型有机硅改性聚氨酯。再将湿固化型有机硅改性聚氨酯利用超声波分散到乙酸乙酯中。同时,将利用溶胶-凝胶法制备的二氧化硅利用超声波均匀分散在乙酸乙酯中。接着将Si02乙酸乙酯分散液加入到聚氨酯分散液中,强烈搅拌,超声分散均匀,制得SiO2/PU混合分散液。最后将SiO2/PU混合分散液通过喷漆枪喷涂到载玻片或其他材料上,再将喷有涂层的材料放入到烘箱中加热,固化形成SiO2/PU涂层。采用红外分光光度计对涂层进行结构确认。采用接触角测试仪影像分析法测定水滴在涂层上的接触角和滚动角。采用场发射扫描电镜观察涂层表面的微观结构。采用3M610型测试胶带对不同材料材料上的涂层进行剥离实验,观察接触角和滚动角的变化,分析涂层的机械稳定性。还研究了不同材料上涂层的超疏水性能以及抗冰冻性能。研究结果表明,所制备的SiO2/PU涂层具有类似荷叶表面的微-纳米粗糙结构,具有优良的超疏水性能。涂层中各组分的用量对涂层的疏水性能影响很大。当Si02与PU的质量比在4：5至3：5之间,有机硅含量大于15%时,涂层的水接触角达到了1580,滚动角为3°,涂层超疏水性明显。超疏水SiO2/PU涂层结构稳定,粘接强度较好。测试胶带剥离10次后,涂层的接触角仍大于1500,滚动角小于10°,涂层仍具有超疏水特性。而且,所制备的涂层对各种材料均显示出良好的粘接强度、超疏水特性和抗冰冻性能。第二种方法：首先利用溶胶-凝胶法制备了蓬松状的二氧化硅粉末。然后将SiO2乙酸乙酯分散液加入到聚氨酯分散液中,再加入含氟烷基丙烯酸酯共聚物溶液,超声分散均匀,制得SiO2/PU混合分散液。最后将SiO2/PU混合分散液通过喷漆枪喷涂到载玻片或其他材料上,再将喷有涂层的材料放入到烘箱中加热,固化形成SiO2/PU涂层。采用红外分光光度计对涂层进行结构确认。采用接触角测试仪采用影像分析法测定水滴在涂层上的接触角和滚动角。采用场发射扫描电镜观察涂层表面的微观结构。采用3M610型测试胶带对不同材料材料上的涂层进行剥离实验,观察接触角和滚动角的变化,分析涂层的机械稳定性。还研究了不同材料上涂层的超疏水性能。研究结果表明,所制备的SiO2/PU涂层具有类似荷叶表面的微-纳米粗糙结构,具有优良的超疏水性能。涂层中各组分的用量对涂层的疏水性能影响很大。当SiO2含量为9%,聚氨酯与全氟烷基乙基丙烯酸酯共聚物的含量为15%,且其质量比为3：1时,涂层的水接触角达到了1610,滚动角为3。,表现出了良好的超疏水性。超疏水SiO2/PU涂层结构稳定,粘接强度较好。测试胶带剥离10次后,涂层的接触角仍大于1500,滚动角小于10°,涂层仍具有超疏水特性。而且,所制备的涂层对各种材料均显示出良好的粘接强度和超疏水特性。同样根据荷叶表面微-纳米结构的特点,通过仿生的方法,采用喷涂工艺,结合组分间的相分离、自组装技术,构建出类似荷叶表面微-纳米粗糙结构的TiO2/PU超疏水涂层。采用红外分光光度计对涂层进行结构确认。采用接触角测试仪影像分析法测定水滴在涂层上的接触角和滚动角。采用场发射扫描电镜观察涂层表面的微观结构。采用3M610型测试胶带对不同材料材料上的涂层进行剥离实验,观察接触角和滚动角的变化,分析涂层的机械稳定性。还研究了不同材料上涂层的超疏水性能。研究结果表明,所制备的TiO2/PU涂层具有类似荷叶表面的微-纳米粗糙结构,具有优良的超疏水性能。涂层中各组分的用量对涂层的疏水性能影响很大。涂层的水接触角达到了1560,滚动‘角为6°,涂层超疏水性明显。超疏水TiO2/PU涂层结构稳定,粘接强度较好。测试胶带剥离10次后,涂层的接触角仍大于1500,滚动角小于100,涂层仍具有超疏水特性。而且,所制备的涂层对各种材料均显示出良好的粘接强度、超疏水特性。同时还发现,由于纳米二氧化钛的特殊物理化学性质,在紫外光照射下,原本具有强疏水性能的表面突然具有了亲水性能,这也为含纳米二氧化钛的超疏水材料增添了新的应用前景。本研究制备的涂层结合了聚氨酯和纳米氧化物材料的优点,具有易得,附着力好、可大面积制备、结构稳定、超疏水、耐久等特点。该方法对实验条件和实验设备要求不高,构造方法相对简单,构造成本相对较低,很适合在工业应用中推广。
【作者】喻华兵；
【导师】李瑞丰；
【作者基本信息】太原理工大学，化学工程与技术，2014，博士
【关键词】仿生；超疏水性；涂层；聚氨酯；二氧化硅；二氧化钛；接触角；滚动角；

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