掺杂氟化聚合物/硅溶胶超疏水复合涂层的制备及性能研究

论文摘要

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，因其诱人的特点引起了各国学者的极大关注。一般说来，超疏水性表面可以通过两种方法制备：一种是在低表面能材料的表面构建粗糙结构；另一种是在粗糙的表面上修饰低表面能的物质。目前，超疏水表面材料的制备由于工艺的限制，以及粗糙表面的构建通常会影响到材料的使用性能，使该材料尚未得到普遍应用。因此采用简单的工艺条件制备具有良好使用性能的超疏水材料是该领域的研究难点。本文首先采用溶液聚合法，制备了含有疏水性基团-CF3、-CH3和-CH2的低表面能氟化聚合物。该聚合物与高醚化度的三聚氰胺甲醛树脂交联成膜后，对水的接触角达到102（?），为疏水性涂层。然后，以工艺简单的溶胶．凝胶法原理为基础，控制溶胶和凝胶的形成条件。在水量不足的酸性条件下，使有机／无机前驱体部分水解，控制了缩合过程，且延缓了疏水性有机树脂引入到体系中产生相分离，制备了均匀稳定的含溶胶体系的聚四氟乙烯掺杂氟化聚合物／硅溶胶杂化材料。该材料在基材表面涂敷后，采用表面凝胶化处理技术，将凝胶过程限定在涂层的表面进行。经空气中高温交联成膜，形成了具有微观表面结构和内部均匀密实的超疏水复合涂层。分别采用FTIR、DSC和XRD等技术手段，对复合材料的特征和特性进行了表征，采用SEM、TEM和XPS等对表面凝胶化处理技术进行了分析讨论。采用JC2000A静滴接触角／界面张力测量仪分别测量了涂层对水的静态接触角和滚动角。采用SEM、AFM和BET等对涂层的表面结构进行了研究，并建立了相应涂层的疏水性模型。最后，对涂层的力学性能和对水的抗渗透性能进行了测量。结果表明，该复合涂层材料不仅具有良好的超疏水性能，而且具有优异的使用性能。其研究得出的主要结论如下：1、表面凝胶化技术处理的聚四氟乙烯掺杂氟化聚合物／硅溶胶复合涂层，表面和内部化学元素的组成和组织结构具有明显的差异，表面凝胶化处理技术使涂层的凝胶化过程只在涂层表面发生，从而有效地避免了通常条件下凝胶材料干燥引起的开裂。2、在复合涂层中，经表面凝胶化处理技术以后，使涂层表面生成了二氧化硅粒子，该粒子的直径随着凝胶化时间的增加，pH值的增大而减小。表面凝胶化生成的二氧化硅粒子和掺杂的聚四氟乙烯粒子形成聚集体。其形态为无定形的二氧化硅粒子和晶态的聚四氟乙烯粒子。3、由于微米级聚四氟乙烯粒子的掺杂和纳米级二氧化硅粒子的生成，涂层表面具有与天然荷叶类似的微米结构和纳米结构相结合的阶层结构，微米结构的高度约为1μm，跨度大约为6.5μm左右。纳米结构的尺度为300nm左右。阶层结构仅在复合涂层表面5μm以内生成，涂层内部则均匀密实。复合涂层表面对水的最大接触角达到155（?），滚动角最小为9（?），为超疏水性涂层。4、复合涂层具有与光滑氟化聚合物涂层相同的附着力、柔韧性和硬度。复合涂层的耐冲击强度虽略有下降，但该强度仍然符合船舶、桥梁及钢结构对表面涂层冲击强度的要求。经电化学交流阻抗测试，与光滑氟化聚合物涂层相比，复合涂层具有更强的抗腐蚀性介质渗透的能力。5、建立了氟化聚合物涂层光滑表面的润湿行为，即基团等概率分布排列模型，该模型较好地解释了氟化聚合物涂层光滑表面的润湿行为。6、对于复合涂层表面的润湿行为，在粗糙度较低时，基本接近Wenzel模型；而在粗糙度较高时，基本接近Cassie模型。假设复合涂层表面的微米结构与纳米结构相结合的阶层结构类似于Koch曲线所描述的分形结构，并以分形结构方程为基础建立了复合涂层的超疏水分形结构模型，该模型所得出的结果与复合涂层表面的润湿行为基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 前言
• 1.1 超疏水性表面原理概述
• 1.1.1 Young's方程
• 1.1.2 Wenzel模型和Cassie模型
• 1.1.3 接触角滞后现象
• 1.1.4 疏水性大小的表征
• 1.2 超疏水表面研究现状概述
• 1.2.1 具有低表面能的物质材料
• 1.2.2 构建粗糙的涂层表面技术
• 1.3 本课题的主要研究内容及意义
• 1.3.1 本课题的主要研究内容
• 1.3.2 本课题的研究意义
• 第二章 氟化聚合物的制备及表征
• 前言
• 2.1 含氟丙烯酸酯类聚合物的研究概述
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原理
• 2.2.2 试剂及仪器
• 2.2.3 氟化聚合物的合成
• 2.2.4 涂层的制备
• 2.2.5 产物的性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚合温度对单体转化率的影响
• 2.3.2 引发剂的选择、用量及加入方式
• 2.3.3 单体的影响
• 2.3.4 羟值的影响
• 2.3.5 氟单体用量对涂层性能的影响
• 2.3.6 含氟丙烯酸酯共聚物的红外谱图
• 2.3.7 涂层的表面性能
• 2.4 本章小结
• 第三章 超疏水复合涂层的制备及表征
• 前言
• 3.1 溶胶-凝胶法制备复合材料的研究概述
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 试剂及仪器
• 3.2.3 PTFE掺杂氟化聚合物/硅溶胶复合溶胶的制备
• 3.2.4 PTFE掺杂有机/无机超疏水复合涂层的制备
• 3.3 结果及讨论
• 3.3.1 复合材料的傅立叶红外光谱分析
• 3.3.2 复合材料的热分析
• 3.3.3 复合材料的物相分析
• 3.3.4 复合涂层的表面凝胶化作用
• 3.3.5 复合材料的微观分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 复合涂层表面的超疏水性能
• 前言
• 4.1 复合涂层表面的疏水性能
• 4.1.1 复合涂层材料表面的静态接触角
• 4.1.2 复合涂层材料表面的接触角滞后
• 4.2 涂层的表面细微结构
• 4.2.1 扫描电子显微镜分析
• 4.2.2 原子力显微镜分析
• 4.2.3 氮吸附
• 4.3 本章小结
• 第五章 涂层表面疏水性分析
• 前言
• 5.1 涂层表面疏水模型的建立
• 5.1.1 氟化聚合物光滑涂层表面疏水模型的建立
• 5.1.2 复合涂层表面疏水模型的建立
• 5.2 本章小结
• 第六章 复合涂层的使用性能
• 前言
• 6.1 复合涂层的力学性能
• 6.1.1 复合涂层的附着力
• 6.1.2 复合涂层的耐冲击强度
• 6.1.3 复合涂层的柔韧性
• 6.1.4 复合涂层的硬度
• 6.2 复合涂层的抗渗透性
• 6.2.1 交流阻抗技术简介
• 6.2.2 交流阻抗技术的基本原理
• 6.2.3 交流阻抗测试
• 6.2.4 结果及讨论
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 本论文的创新之处
• 7.3 今后工作的设想
• 参考文献
• 作者攻读博士期间发表的主要学术论文
• 致谢