UV固化超疏水复合涂层的制备及其性能研究

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超疏水材料具有独特的润湿性能,其在防覆冰、自清洁与防污、抗腐蚀、生物医疗、表面图案、新型运输设备及油水分离等领域应用发展迅速。但是大多数超疏水材料的制备工艺复杂,尤其是用含氟聚合物为原材料,不仅会导致成本增加,还具有毒性,不利于环保。另外,目前所用的超疏水材料还存在耐久性差的缺点,使得其难以满足实际应用需求。因此,迫切需要开发出一种制备工艺简单、廉价、低毒环保且耐用性强的超疏水材料。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种廉价且不含氟的聚合物,其不但具有良好的疏水性能,而且有良好的耐机械磨损和化学腐蚀性。即使不存在其他粘合剂,经过固化,它也能牢牢地粘附在基材表面。这些性质使得PDMS适合用来制备坚固型超疏水表面。本论文主要研究内容如下:首先使用羟基封端聚二甲基硅氧烷KF-6000(PDMS-OH)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)合成具有六双键官能团的可UV固化的PDMS/PETA预聚物体系。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H NMR)和外观观察等表征PDMS/PETA预聚物的结构与储存稳定性。接着,加入光引发剂与溶剂制备PDMS/PETA涂层。最后将棉布浸入PDMS/PETA涂层中1h,取出晾干,进行UV固化得到超疏水棉布。通过傅里叶变换衰减全反射红外光谱(FTIR-ATR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、热重分析(TGA)、摩擦、洗涤、不同pH溶液浸泡及油水分离分析超疏水棉布的结构及性能。结果表明所得的超疏水棉布具有良好的超疏水特性,热稳定性更优,耐机械磨损及化学稳定性较强,同时还具有很好的浮油-水分离能力(分离效率>99%)及可循环利用性(即使经过30次循环试验,分离效率仍能维持在98%以上)。为了提高基材与所得超疏水涂层间的粘接强度,将乙烯基封端聚二甲基硅氧烷(V-PDMS)和十八胺(ODA)共混形成可自组装成花簇状分级结构的V-PDMS/ODA超疏水涂层,再将涂层涂覆到棉布表面上,得到超疏水棉布PDMS/ODA-fabric。通过FTIR-ATR,XPS,SEM和元素分析(EDS)对PDMS/ODA-fabric进行结构及形态分析。采用连续水冲击、试管刷擦洗、刀刮、扭曲、手指按压和胶带粘撕等一系列测试表征PDMS/ODA涂层与棉布的粘接牢度,并由机械摩擦、NaCl溶液连续冲洗和化学腐蚀实验研究PDMS/ODA-fabric的机械及化学稳定性。实验结果表明PDMS/ODA涂层与棉布的粘接牢度较强,PDMS/ODA-fabric具有良好的耐用性。通过KMnO4粉末污染物的去除及吸油测试评估PDMS/ODA-fabric的自清洁性、油水分离及集油性能。结果显示,PDMS/ODA-fabric具有良好的自清洁和吸油性能。对于不同粘度和密度的油或有机溶剂,PDMS/ODA-fabric的吸收量在138-380%范围内,有望成为一种新型油水分离及集油材料。为了进一步提高超疏水棉布的机械稳定性,我们制备了mMoS2/V-PDMS涂层。首先使用3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)对二硫化钼(MoS2)进行改性,使其带有反应活性双键。通过接触角测试、水分散性、FTIR及X射线衍射仪(XRD)表征MoS2的改性情况。结果显示,MoS2被成功改性,疏水性增强。再将得到的mMoS2加入V-PDMS体系中。最后,通过浸涂与UV固化的方法得到超疏水棉布。使用FTIR-ATR分析所得棉布的化学结构,并通过SEM及EDS表征超疏水棉布的表面微观形态及元素分布情况。结果表明,mMoS2/V-PDMS涂层已成功引入棉布表面。所得棉布在不同温度处理、不同溶液浸泡及摩擦测试后表现出优异的稳定性。利用不同的油水分离操作方式(即吸油与仅由重力驱动型过滤分离)研究超疏水棉布的油水分离能力。涂层棉布既能作为吸收剂,又能组装成仅由重力驱动型分离装置应用于油水分离领域,分离效率高于97%。另外,超疏水棉布始终保持较高分离效率(经过25次使用后依然能达到96.5%),具有良好的可循环利用性。因此,其在水处理和工业污水排放清理方面将具有广阔的发展前景。
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