疏水型纳米复合材料在汽车面漆中的应用技术研究

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荷叶效应具有神奇的疏水和自清洁性质,直到近几十年人们开始用电子扫描显微镜来观察荷叶表面形态,人们才真正揭开了荷叶效应的神秘面纱。荷叶表面覆盖着一层植物蜡。植物蜡的表面能较低,具有疏水性。但荷叶的自清洁功能主要源自蜡质层下的微观结构.这些微结构由众多平均直径3-10μm的乳突所组成.每个μm级的乳突又由许多70-100nm级的小突起构成,这种微-纳米的二级结构使荷叶表面具有大的水接触角和超疏水性。目前,荷叶效应已被引入到许多方面,如:建筑涂料,衣服表面,等等。目前,汽车面漆在超疏水和自清洁作用的国内外研究还相当稀少,本文旨在制备出一种具有疏水性的汽车面漆,以期达到保护环境,节约汽车洗车用水的目的。目前,德国eazY Clean Technologies公司已生产出了为汽车和船表面使用的涂层,这种涂层涂在原面漆表面,类似于汽车表面打蜡后者封釉,不是汽车面漆直接具有的性质。此外,这种涂层需要定期更换。因此,我们试图合成一种新型汽车面漆,来直接代替现有的汽车面漆。目前,通过提高表面粗糙度来得到疏水性的方法,主要有如下几种:模板法、溶胶-凝胶法、层层自组装法、气相沉积法、蚀刻法、溶剂挥发法、相分离法、粒子填充法,等等。考虑到汽车油漆的制备、涂装工艺、以及批量生产的难易程度,溶剂挥发法是一个较为合适的选择。本文所做的主要工作如下:1.简单介绍了自然界中存在的超疏水和疏水现象,以及目前人工合成超疏水/疏水表面所取得的成果,以及制备所使用的主要方法;2.在物理模型上介绍了液体在固体表面浸润现象和疏水作用的Young equation,Wenzel equation,和Cassie–Baxter equation三个基本理论和模型。并且,我们进一步探讨了浸润相变的问题。3.为了排除汽车油漆中各种成分之间的互相干扰,我们对汽车面漆的主要成分之一—热固性丙烯酸树脂进行了疏水薄膜的制备实验,成功得到了疏水型复合树脂,并进行了SEM形貌观察和XRD、XPS化学成分分析。4.成功制备得到了疏水型纳米复合面漆,并对其进行了SEM形貌观察和XRD、XPS化学成分分析。通过理论研究可以得知,固体表面水滴的浸润状态取决于表面性质和浸润过程。如果,液滴能量平衡不稳定,非均相浸润状态和均相浸润状态之间可以进行浸润相变。为此,我们进一步得出了控制方程。对于疏水型树脂薄膜,为了排除汽车油漆中各种成分之间的互相干扰,我们对汽车面漆的主要成分之一—热固性丙烯酸树脂进行了疏水薄膜的制备实验,并且成功得到了疏水型复合树脂。通过SEM的表面形貌观察发现,疏水型树脂薄膜的表面存在微纳米层级结构,这和荷叶及其他自然界中的疏水表面的表面形貌是相仿的。经过XRD和XPS的检验,发现薄膜的表面的硅元素只有一种键态,这说明薄膜表面确实存在SiO2,而且以SiO2分子的形式存在,这说明纳米粒子并未与树脂材料发生化学反应。为了得到合理的纳米SiO2粒子加入量的范围,我们在进行汽车面漆疏水薄膜制备的实验之前,用响应面法和Box-Behnken Design进行了其他主要因素的实验设计,得到了拟合二次多项式和响应面图像,并对结果进行了统计学分析。确定了其他三个主要因素的最优值。为汽车面漆的纳米复合疏水薄膜的制备和纳米SiO2粒子加入量的范围的确定提供了有利条件。通过SEM的表面形貌观察发现,疏水型面漆薄膜的表面存在微-纳米层级结构,而且规整性良好,这和荷叶及其他自然界中的疏水表面的表面形貌是相仿的。经过XRD和XPS的检验,发现薄膜的表面存在SiO2,而且以SiO2分子的形式存在,进一步验证了本实验所制备的疏水型纳米复合面漆薄膜的疏水性的原因在于其和荷叶等自然超疏水表面相似的表面形貌结构。
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