仿生超疏水二氧化硅_聚氨酯复合涂层的制备及性能.docx

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仿生超疏水二氧化硅_聚氨酯复合涂层的制备及性能

2014年1月POLYMERMATERIALSSCIENCEAND ENGINEERINGJan.2014仿生超疏水二氧化硅/聚氨酯复合涂层的制备及性能喻华兵1,2,汪存东2,李瑞丰1(1.太原理工大学精细化工研究所,山西太原030024;2.中北大学化工与环境学院,山西太原030051)摘要:以纳米二氧化硅(SiO2)和不同有机硅含量改性的聚氨酯(PU)为原料,以乙酸乙酯为分散剂,采用简单的喷涂工艺,通过仿生的方法制备出与荷叶表面结构相似的SiO2/PU微2纳米复合涂层。用扫描电镜(SEM)对涂层表面进行了表征, 研究了SiO2与PU的质量比以及有机硅含量对涂层表面结构及接触角的影响,并考察了涂层结构的稳定性,分析了涂层 的形成机理和结构特点。结果表明,涂层表面具有与荷叶表面相似的微2纳米结构,SiO2与PU的质量比在4∶5至3∶5之 间,有机硅质量分数大于15%时,涂层的水接触角为158°,滚动角为3°,具有超疏水特性,并且结构稳定,测试胶带剥离6 次后,涂层仍具有超疏水特性。关键词:仿生;超疏水;复合涂层;微2纳米结构;聚氨酯中图分类号:TQ323.8文献标识码:A文章编号:100027555(2014)0120136205超疏水性是指物体表面与水接触时所形成的接触角大于150°,滚动角小于10°的疏水性能。超疏水表面在现实生产、生活中具有广阔的应用前景,可用于防 水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域1,2。寻求、开发和研制具有高性能的新型疏水材料一直是科学家们所关注的课题,也是多年来仿生学领域研究的热点之一。目前制备超疏水性材料的方法主要有: 刻蚀法3、静电纺丝法4、等离子技术5、相分离法6、模板法7和溶胶2凝胶法8等。这些方法大多工艺复杂、设备昂贵,大面积制备困难,并且表面粗糙结构脆弱, 使得涂层的力学性能以及对基体的防护性能均较差, 达不到持久超疏水的作用。因而制约了超疏水涂层在工业上的广泛应用。本研究根据荷叶表面超疏水微2纳米结构的特点9,采用纳米二氧化硅(SiO2)、有机硅改性聚氨酯(PU)为原料,复配成混合分散液,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2纳米粗糙结构的SiO2/PU超疏水涂层。这种涂层结合了聚氨酯和二氧化硅材料的优点,具有易得,附着力 好、可大面积制备、结构稳定、超疏水持久等特点,应用前景可佳。1实验部分1.1实验药品与仪器市售纳米二氧化硅(SiO2) :粒径约为15 nm,太仓欣鸿化工有限公司;乙酸乙酯:分析纯,北京化工厂;甲 苯二异氰酸酯(TDI) :分析纯,上海试剂厂;聚丙二醇(PPG21000) :工业品,海安国力化工有限公司;羟基硅 油:羟基含量9%,化学纯,济南豪耀商贸有限公司。上壶喷漆枪:日本岩田W271 型,喷嘴口径1.0mm;超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司,KQ2 50DA型;接触角测试仪:上海中晨数字技术设备有限公司,JC2000C型;场发射扫描电镜(SEM) :日本日立S4700型;测试胶带:美国3M610 型,规格19mm × 66m。1.2有机硅改性聚氨酯的制备在装有冷凝管、搅拌器和温度计的四口瓶中加入聚丙二醇(PPG) ,110 ℃真空脱水2h,然后冷却到60℃,加入计量好的甲苯二异氰酸酯(TDI) ,滴加3滴二月桂酸二丁基锡(DBTL)催化剂,控制反应温度为75℃~80 ℃,反应2h。再加入羟基硅油进行扩链,反应2h。分别制得分子链中有机硅质量分数为3%、5%、8%、10%、15%、18%的湿固化型有机硅改性聚氨酯。反应机理如Fig11所示。收稿日期:2013208222基金项目:山西省青年科技研究基金项目(201302101224)通讯联系人:喻华兵,主要从事功能材料的合成及应用研究,E2mail:yuhuabing80@163.com1.3SiO2/PU混合分散液的制备Fig.1PolyurethaneModifiedbyOrganosiliconSi- O- Si伸缩振动峰,说明羟基硅油参与了反应。以将纳米SiO2加入到乙酸乙酯溶剂中,搅拌10min,然后超声波分散30 min,使纳米二氧化硅均匀分散在乙酸乙酯溶剂中;将湿固化型有机硅改性聚氨酯加入乙酸乙酯溶剂中,强烈搅拌30 min,然后超声波分散1h,备用。将配好的SiO2乙酸乙酯分散液加入到聚氨酯分散液中,强烈搅拌,再超声波分散30 min,混合均匀, 制得SiO2/PU混合分散液。1.4 SiO2/PU超疏水涂层的制备将SiO2/PU混合分散液通过喷漆枪喷涂到7162cm×2154cm的载玻片上,喷嘴离载玻片约20 cm,载 玻片被很薄的涂层覆盖即可。然后将喷有涂层的载玻片放入到100 ℃的烘箱中加热10h,使分散液中的湿固化型聚氨酯与纳米SiO2上的羟

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