论文部分内容阅读
在疏水表面或涂层的构建中,一个普遍存在的问题是,用作表面修饰物的低表面能物质与基材的相互作用较弱,以至于所制备的表面或涂层的稳定性和耐久性难以满足实际应用的要求。针对这一共性问题,我们提出基于可用作锚分子的有机聚硅氮烷（OPSZ）优异的锚固作用,构建稳定的疏水性涂层的新策略。在这一工作中,通过对OPSZ的化学改性,设计与合成了兼具优异的锚固作用和疏水性的改性OPSZ,并构建了若干系列以改性OPSZ为涂覆材料主体的疏水性涂层。利用现代测试技术对所构建涂层的表面化学组成、微观结构形貌、润湿性和物理机械性能进行了表征和分析,并考察了涂层的易清洁性和耐久性等。基于对测试结果的对比分析,建立了涂层的组成-结构-性能关系。本研究的主要内容及其结果如下所述。（1）利用正十六醇（CA）、正十二醇（DA）、正辛醇（OA）和甲醇（MA）分别与六甲基二异氰酸酯（HDI）的缩合反应,合成了4种不同结构的长链烷基化合物CA-HDI、DA-HDI、OA-HDI和MA-HDI。以全氟聚醚甲醇（PFPE）、乙烯基MQ硅树脂（MQ）、所合成的长链烷基化合物和异氰酸乙酯（EI）为OPSZ的修饰物,分别在适宜的反应条件下成功地合成了三类带不同疏水链的改性OPSZ,即OPSZ-PFPE、OPSZ-MQ、烷基化合物修饰的改性OPSZ及其对照OPSZ-EI。以玻璃（Glass）为基材,不同的改性OPSZ和OPSZ为涂覆材料,并选择不同的无机物如硅藻土（DE MPs）、SiO2纳米粒子（SiO2NPs）、烟灰（CS）和碳纳米管（CNTs）为添加剂,在基材表面分别构建了相应的改性OPSZ涂层及其对照涂层OPSZ@Glass,以及不同组成的改性OPSZ/无机材料复合涂层,即OPSZ-PFPE-5@DE/SiO2@Glass、OPSZ-DA-HDI-3@DE/SiO2@Glass和OPSZ-MQ-5@CDC@Glass。（2）所构建的改性OPSZ涂层和改性OPSZ/无机材料复合涂层对基材的附着力等级均为0级;改性OPSZ涂层具有与对照涂层OPSZ@Glass较接近的高硬度和相当的透光性。其中,OPSZ-PFPE涂层的表面硬度最高,均为3 H或4 H,且具有良好的耐溶剂擦拭性、耐热性和热稳定性。（3）所构建的OPSZ-PFPE涂层、OPSZ-MQ涂层和烷基化合物修饰的改性OPSZ涂层的表面WCA分别在107.6°～110.7°、106.7°～109.5°和93.1°～110.4°之间,均高于对照涂层OPSZ@Glass表面的WCA（92.7°）;且随着改性OPSZ中PFPE或MQ含量的增加,或其所带烷基侧链长度的延展,所构建的改性OPSZ涂层可具有更高的WCA。所构建的改性OPSZ/无机材料复合涂层具有呈多层次微纳结构的粗糙表面,其WCA远高于相应的改性OPSZ涂层,均接近或达到了超疏水。对DE/SiO2的总量一定的复合涂层OPSZ-PFPE-5@DE/SiO2@Glass和OPSZ-DA-HDI-3@DE/SiO2@Glass,其WCA分别在152.8°～161.8°和151.4°～159.8°之间,滚动角SA分别在2.5°～8.7°和3.4°～9.4°之间;对CS/DE/CNTs（CDC）质量比一定的复合涂层OPSZ-MQ-5@CDC@Glass,其WCA和SA分别在146.9°～158.6°和4.2°～8.3°之间。随着复合涂层中SiO2或CS/DE/CNTs含量的增加,涂层表面的WCA和SA分别呈增大和减小的趋势。（4）通过划痕-擦拭试验和污染物清除试验考察和评价所构建涂层的表面易清洁性能。结果表明,以涂层OPSZ@Glass和空白玻璃为对照,改性OPSZ涂层和改性OPSZ/无机材料复合涂层均具有优异的易清洁性能。（5）通过砂纸摩擦试验、酸碱浸泡试验和紫外光（UV 313 nm）老化试验评价改性OPSZ/无机材料复合涂层表面的力学强度、耐化学品性能和耐紫外老化性能。研究表明,复合涂层OPSZ-DA-HDI-3@DE/SiO2-5@Glass经15个磨擦循环或在不同的酸碱溶液浸泡24 h后,其WCA仍能分别维持在146.1°左右和155°以上,表现出对外力和化学品的良好的稳定性;此外,OPSZ-MQ涂层在紫外光照射24 h后,表面的WCA仅比照射前下降了0.4°～1.4°,表现出良好的耐紫外老化性能。（6）含光热材料CNTs的复合涂层OPSZ-MQ-5@CDC-4@Glass在阳光照射30 s和180 s后会明显变热,其表面温度会从26.6°C分别升至40.5°C和55.4°C左右;在阳光照射下,放在该涂层上的冰块的融化时间比在作为对照的玻璃表面缩短了4～5 min,仅为10 min。这一结果证明CNTs可赋予涂层一定的光热性能和光热融冰性能。这一工作无疑为解决疏水性涂层或表面构筑中的共性问题开拓了一条崭新的途径,且所得研究结果能够为OPSZ的多功能化及其在构筑稳定的功能涂层中的应用奠定坚实的理论和实践基础。