高耐久型超滑涂层的制备及其性能研究

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近年来,受自然界猪笼草唇叶结构启发而提出的超滑表面(SLIPS)由于其独特的液-固结合界面在多个领域展现出广阔的应用前景。相较于以往的超疏水表面,超滑表面具有更广的液体排斥范围,稳定性和自修复性等优势。然而,超滑表面也面临所注入油层不稳定和固定油层所需的粗糙或多孔基底机械稳定性差等缺点,这些问题均会导致超滑涂层在实际环境中服役时间缩短并最终失效。本论文针对以上两个问题展开了研究并提出了解决方案。首先针对超滑涂层油层不稳定的问题,选用聚偏氟乙烯(PVDF)作为聚合物树脂,利用Si O2溶胶和碳纳米管作为构建粗糙结构的混合填料,通过简单的喷涂方法和随后的注油得到了SLIPS。在PVDF的固化过程中,溶剂的挥发和硅溶胶收缩过程中分别形成大量微米和纳米孔,此外,Si O2纳米粒子在碳纳米管上的生长和相互缠绕使涂层中含有丰富的多级粗糙结构,这些微纳结构和多孔结构协同增强了SLIPS的锁油能力,使其在5000 rpm/min的高转速处理、12 h强酸强碱浸泡、高温加热和磨损等多项苛刻环境下处理后仍维持超滑特性。之后针对超滑涂层的粗糙基底机械稳定性差的问题,通过对微纳结构的精巧设计得到了含有类“玉米”状结构的具有长效服役寿命的超疏水有机/无机复合涂层用于超滑涂层油的浸入。由于共价键Ti-O-Si和氢键作用,Ti O2在许多堆积的坡缕石纳米棒(APT)上大量沉积,从而形成了独特的仿生“玉米”结构。Ti O2表面上的羟基还可以通过氢键与聚醚砜(PES)和聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)相互作用。鉴于以上增强的相互界面作用,用于SLIPS的超疏水基底可以承受200个循环的摩擦机磨损试验,并且仍保持超疏水性。另外,所得到的SLIPS具有优异的热水排斥性,高转速稳定性和强酸/碱浸泡稳定性。最后,为了同时得到油层稳定和机械强度高的SLIPS,通过对多孔和粗糙结构以及增强的界面相互作用有效结合和双重调控,得到了含有类“树莓”状结构的兼顾了优异锁油能力和机械强度的有机/无机复合涂层。由于多巴胺改性后的PVDF-HFP与水热法得到Ce O2生长的硅藻土的填料间的共价键及粘附作用,所得涂层具有优异的耐磨性和结合力,经过200 m砂纸磨损循环后仍能维持超疏水性质。另外,由于硅藻土的多级孔状结构和“树莓”状结构的Ce O2纳米小球结构,所制备的SLIPS也展现出良好的锁油能力,在高转速,热水浸泡后和强酸强碱浸泡等多项苛刻条件测试后均维持了超滑特性。
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