半互穿网络型耐久性超疏水涂层的制备及性能研究

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超疏水涂层由于其优异的拒水、抗污、自清洁性能,在建筑、服装、电子、运输、电缆等领域有良好的应用前景。然而,目前制备的大多数超疏水涂层在机械力作用下和/或户外使用过程中表面微纳米多级粗糙结构易破坏,致使疏水性能下降,影响其长期使用性能。因此,如何提高超疏水涂层的耐久性,已经成为制约其工业化进程的技术瓶颈,也成为高性能超疏水涂层制备过程中亟待解决的关键科学问题。本文根据超疏水性能的充要条件(即同时具有微纳米多级结构和低表面能物质),结合半互穿聚合物网络的优势,以氟碳树脂、氟硅改性凹土粒子或商业化二氧化硅纳米粒子(Si O2 NPs)为基础原料,聚偏氟乙烯-六氟乙烯(PVDF-HFP,Mw:45.5万,Mn=11万)为助剂,采用一步喷涂法制备耐久性超疏水涂层,研究PVDF-HFP对纳米粒子、氟碳树脂及所得超疏水涂层分散性的影响,探索PVDF-HFP聚合物链的引入对超疏水涂层稳定性及耐久性的贡献。(1)利用凹土高比表面积和强吸附特性,以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体、氨水为催化剂、十三氟辛基三乙氧基硅烷(PFOS)为氟化剂,通过St(?)ber反应对棒状凹土进行表面改性,TEOS在氨水催化下发生水解缩合产生Si-OH,其可进一步引发PFOS的水解缩合,将含氟硅烷接枝到凹土表面,实现对凹土粒子的疏水改性。通过对TEOS以及PFOS用量及改性工艺等条件进行优化,获得棒状结构保持良好的氟硅改性凹土粒子。(2)利用羟基易与异氰酸根反应生成聚氨酯的特点,以侧链含有羟基的氟碳树脂(FC-Resin)和氟硅改性凹土粒子为基础原料,聚偏氟乙烯-六氟乙烯(PVDF-HFP)为助剂,异氰酸酯为固化剂,制备混合分散液,并通过一步喷涂法得到超疏水涂层;结果表明PVDF-HFP的加入可协同氟碳树脂改善改性凹土粒子在涂层中的分散性和均一性,其通过与聚氨酯之间形成半互穿网络结构,将凹土粒子固定在涂层中,使涂层在经过300次磨擦循环,酸溶液中浸泡7天,紫外线照射110 h后依然保持良好的疏水性能。(3)利用商业化疏水气相Si O2NPs成本低、易获取等优势,结合半互穿聚合物作为胶黏剂,通过一步喷涂制备超疏水涂层。结果发现,聚氨酯和PVDF-HFP之间通过形成半互穿网络结构,将纳米粒子固定在涂层中,对涂层的力学性能和耐久性均有明显提升;当PVDF-HFP含量为12 wt%时,可得到铅笔硬度为2H、附着力为1级、柔韧性为1 mm的涂层,该涂层经300次磨擦循环,在酸、碱、盐溶液中分别浸泡7天,紫外线照射110小时后依然保持着良好的超疏水性能,具有潜在工业化应用前景。
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