仿生超疏水納米材料-聚氨酯涂層的研究.pdf

1、隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，超疏水性材料以其獨(dú)特的性能，廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值倍受人們關(guān)注。自然界中的眾多現(xiàn)象，如荷葉的出淤泥而不染、昆蟲(chóng)能在水面行走、水鳥(niǎo)身體表面的羽毛不會(huì)被水潤(rùn)濕等都顯示出優(yōu)異的超疏水特性。這些超疏水性能主要取決于表面的特殊結(jié)構(gòu)和表面的蠟狀物。通過(guò)觀察這些天然的超疏水實(shí)例，并研究這些天然的超疏水表面形成的內(nèi)在機(jī)理，為構(gòu)筑人工超疏水表面提供了許多現(xiàn)實(shí)依據(jù)，也為開(kāi)發(fā)并研制具有多功能的超疏水表面提供了更多的設(shè)計(jì)思路。

2、材料的表面潤(rùn)濕性能取決于材料的表面化學(xué)和表面形貌，因此控制材料的表面化學(xué)和表面形貌能有效的控制材料表面的潤(rùn)濕性能。當(dāng)材料表面具有很低的表面自由能，材料即可表現(xiàn)出疏水性;同時(shí)材料表面的微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)比較粗糙，也有利于使其表面對(duì)空氣的包裹，形成固-氣復(fù)合表面，同樣也可以降低其表面的自由能，產(chǎn)生較好的疏水效果。
　　根據(jù)荷葉表面微-納米結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)仿生的方法，采用不同原料，制備出分散液，采用噴涂工藝，結(jié)合組分間的相分離、自組裝技術(shù)，構(gòu)

3、建出類似荷葉表面微-納米粗糙結(jié)構(gòu)的SiO2/PU超疏水涂層。聚氨酯材料性能優(yōu)越，聚氨酯在涂層中主要起提高涂層力學(xué)強(qiáng)度的作用，使涂層與基材有很好的附著力，提高涂層的耐久性。
　　第一種方法:首先干燥的聚丙二醇與甲苯二異氰酸酯在二月桂酸二丁基錫的催化下，對(duì)聚丙二醇進(jìn)行功能化改性。然后加入羥基硅油進(jìn)行擴(kuò)鏈，制得濕固化型有機(jī)硅改性聚氨酯。再將濕固化型有機(jī)硅改性聚氨酯利用超聲波分散到乙酸乙酯中。同時(shí)，將利用溶膠-凝膠法制備的二氧化硅利用超聲

4、波均勻分散在乙酸乙酯中。接著將SiO2乙酸乙酯分散液加入到聚氨酯分散液中，強(qiáng)烈攪拌，超聲分散均勻，制得SiO2/PU混合分散液。最后將SiO2/PU混合分散液通過(guò)噴漆槍噴涂到載玻片或其他材料上，再將噴有涂層的材料放入到烘箱中加熱，固化形成SiO2/PU涂層。
　　采用紅外分光光度計(jì)對(duì)涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)。采用接觸角測(cè)試儀影像分析法測(cè)定水滴在涂層上的接觸角和滾動(dòng)角。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察涂層表面的微觀結(jié)構(gòu)。采用3M610型測(cè)試膠帶對(duì)不同

5、材料材料上的涂層進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)，觀察接觸角和滾動(dòng)角的變化，分析涂層的機(jī)械穩(wěn)定性。還研究了不同材料上涂層的超疏水性能以及抗冰凍性能。研究結(jié)果表明，所制備的SiO2/PU涂層具有類似荷葉表面的微-納米粗糙結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的超疏水性能。涂層中各組分的用量對(duì)涂層的疏水性能影響很大。當(dāng)SiO2與PU的質(zhì)量比在4∶5至3∶5之間，有機(jī)硅含量大于15％時(shí)，涂層的水接觸角達(dá)到了158°，滾動(dòng)角為3°，涂層超疏水性明顯。超疏水SiO2/PU涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，粘接

6、強(qiáng)度較好。測(cè)試膠帶剝離10次后，涂層的接觸角仍大于150°，滾動(dòng)角小于10°，涂層仍具有超疏水特性。而且，所制備的涂層對(duì)各種材料均顯示出良好的粘接強(qiáng)度、超疏水特性和抗冰凍性能。
　　第二種方法:首先利用溶膠-凝膠法制備了蓬松狀的二氧化硅粉末。然后將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，超聲分散均勻，制得SiO2/PU混合分散液。最后將SiO2/PU混合分散液通過(guò)噴漆槍噴涂到載玻片或其他材料上

7、，再將噴有涂層的材料放入到烘箱中加熱，固化形成SiO2/PU涂層。
　　采用紅外分光光度計(jì)對(duì)涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)。采用接觸角測(cè)試儀采用影像分析法測(cè)定水滴在涂層上的接觸角和滾動(dòng)角。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察涂層表面的微觀結(jié)構(gòu)。采用3M610型測(cè)試膠帶對(duì)不同材料材料上的涂層進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)，觀察接觸角和滾動(dòng)角的變化，分析涂層的機(jī)械穩(wěn)定性。還研究了不同材料上涂層的超疏水性能。研究結(jié)果表明，所制備的SiO2/PU涂層具有類似荷葉表面的微-納米粗糙結(jié)構(gòu)

8、，具有優(yōu)良的超疏水性能。涂層中各組分的用量對(duì)涂層的疏水性能影響很大。當(dāng)SiO2含量為9％，聚氨酯與全氟烷基乙基丙烯酸酯共聚物的含量為15％，且其質(zhì)量比為3∶1時(shí)，涂層的水接觸角達(dá)到了161°，滾動(dòng)角為3°，表現(xiàn)出了良好的超疏水性。超疏水SiO2/PU涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，粘接強(qiáng)度較好。測(cè)試膠帶剝離10次后，涂層的接觸角仍大于150°，滾動(dòng)角小于10°，涂層仍具有超疏水特性。而且，所制備的涂層對(duì)各種材料均顯示出良好的粘接強(qiáng)度和超疏水特性。

9、　　同樣根據(jù)荷葉表面微-納米結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)仿生的方法，采用噴涂工藝，結(jié)合組分間的相分離、自組裝技術(shù)，構(gòu)建出類似荷葉表面微-納米粗糙結(jié)構(gòu)的TiO2/PU超疏水涂層。
　　采用紅外分光光度計(jì)對(duì)涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)。采用接觸角測(cè)試儀影像分析法測(cè)定水滴在涂層上的接觸角和滾動(dòng)角。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察涂層表面的微觀結(jié)構(gòu)。采用3M610型測(cè)試膠帶對(duì)不同材料材料上的涂層進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)，觀察接觸角和滾動(dòng)角的變化，分析涂層的機(jī)械穩(wěn)定性。還研究了不同材料

10、上涂層的超疏水性能。研究結(jié)果表明，所制備的TiO2/PU涂層具有類似荷葉表面的微-納米粗糙結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的超疏水性能。涂層中各組分的用量對(duì)涂層的疏水性能影響很大。涂層的水接觸角達(dá)到了156°，滾動(dòng)角為6°，涂層超疏水性明顯。超疏水TiO2/PU涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，粘接強(qiáng)度較好。測(cè)試膠帶剝離10次后，涂層的接觸角仍大于150°，滾動(dòng)角小于10°，涂層仍具有超疏水特性。而且，所制備的涂層對(duì)各種材料均顯示出良好的粘接強(qiáng)度、超疏水特性。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，由