碳酸钙原位表面改性过程晶型调控及在超疏水涂层中应用研究

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超疏水涂层是一种表面具有特殊浸润性的涂膜,因其在自清洁、油水分离、抗菌、防腐蚀等领域的优异表现,近些年来得到了广泛关注。低表面能和粗糙结构是影响超疏水性能的最主要的影响因素。常用的含氟硅烷低表面能化合物的生产和应用对环境有较大的危害,同时,超疏水涂层还面临原料昂贵、工艺复杂、性能不稳定等问题,这都大大限制了其应用。本论文采用原位表面改性,可控合成了两种不同晶型的地表面能的碳酸钙粉体,进而与低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)共混,喷涂得到超疏水涂层,并对其自清洁能力和耐冲击性进行了测试。本文的主要研究内容和结果如下:首先研究了乙醇/水混合体系下,乙醇用量、钙离子浓度、反应时间和反应温度对碳酸钙晶型的影响。结果表明,一定含量的乙醇下,低浓度的CaCl2在80℃以上可以稳定合成纯度较高的文石相碳酸钙;而乙醇含量较低,高浓度的CaCl2有利于方解石相碳酸钙生成。其中当乙醇用量为25 mL,CaCl2浓度为0.75mol/L,反应温度为70℃,反应时间为5 h得到高纯度方解石相碳酸钙;乙醇用量为150 mL,CaCl2浓度为0.25mol/L,反应温度为80℃,反应时间为0.5 h得到高纯度文石相碳酸钙。其次探讨了表面活性剂的种类和剂量对碳酸钙粉体疏水性的影响。实验表明当硬脂酸钠(NaSt)、油酸钠(NaOL)表面活性剂用量为5%时,碳酸钙改性效果最好,疏水性最佳,其中由5%硬脂酸钠改性的文石型碳酸钙接触角为127.5°,由5%油酸钠改性的方解石型碳酸钙接触角为115.4°。进一步研究了不同晶型碳酸钙的用量对涂层疏水性能的影响。涂层疏水性随碳酸钙用量增加而增强,当碳酸钙和PDMS质量比为1.5:1时,涂层接触角>150°,具有超疏水性,其中方解石型和文石型碳酸钙涂层接触角分别为151.4°和153.2°。形貌结果显示超疏水涂层表面具有凹凸不平的“沟壑”。最后研究了超疏水涂层的自清洁及耐冲击性能。对比PDMS涂层和空白的载玻片表面污染物经水滴冲刷结果显示,在经过水滴冲击后,超疏水涂层表面的亚甲基蓝污染物被带离涂层,涂层表现出良好的自清洁能力。经过500mL的水滴冲击试验后,两种晶型碳酸钙超疏水涂层接触角仍保持在140°以上,保持着优异的疏水性。
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