多级复合超疏水涂层制备及其抗冰性研究

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基于超疏水材料的防冰涂层具有低表面能和微纳米粗糙度,能够有效降低水滴在涂层表面的停留,降低黏附力,被认为是一种有效的除冰方法。但是多次除冰容易破坏涂层,导致其失效。因此,高耐久超疏水涂层的开发具有重要的应用和学术价值。目前提高耐久性的方法主要有两种:通过共价键,交联等方法提高基材与疏水(SH)层之间的粘合力,以及构建刚性的微结构框架装甲以保护疏水纳米结构。前者一般适合于温和的外部环境,但是,由于外层的疏水组件仍然易受恶劣的机械磨损或其他损害而被破坏,因此显示出中等的耐久性。后者通常通过光刻法在基板上制造微结构铠装,因此基板受限并且增加了操作难度和成本。利用聚合物的优异粘合力和无机组分的超疏水性,构建3D整体耐久超疏水性是一种有效的方法。但是液态的聚合物树脂在使用过程中容易包裹粒子,最终导致疏水性和耐用性降低。本论文考虑到如果聚合物相以微球形态存在,其单分散性好,比表面积大,吸附性好,材料亲和性好,可以避免出现液态聚合物包覆疏水粒子的情况。更重要的是聚苯乙烯微球在溶剂挥发的过程中会自组装成一定结构,在合适的温度下容易软化而相互粘结,因此可以作为非常好的骨架。本文中我们利用共喷涂法和热压工艺,结合聚苯乙烯微球的优异粘合力和无机组分的超疏水性,构建3D整体耐久超疏水表面。通过两种线性磨损破坏评价方式,单向线性破坏中涂层最远耐摩损距离1500 cm,6 k Pa压力下双向线性磨损破坏时涂层可经受280个循环而不失效;水冲击耐久性测试中,无论是常温水还是低温水的破坏,我们的涂层都能保持14 h而不失效;抗冰性结果显示,相比于空白玻璃片,PS MPs/F-CNPs涂层上,水滴延缓结冰时间达30倍;冰层粘附力测试表明PS MPs/F-CNPs复合超疏水涂层的冰黏附力十分的弱,轻微变形就可以使冰层脱落,即使是在6 k Pa压力下磨损200个循环,其表面冰黏附力也仅有28.9 k Pa,表面覆冰实验表明PS MPs/F-CNPs超疏水涂层表面很难覆冰,4 h的覆冰量是空白玻璃片的1/9倍。以上这些均表明我们的PS MPs/F-CNPs超疏水涂层具有很好的抗冰性能。
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