多功能超浸润表面的制备及表界面行为研究

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超浸润表面是一类对液体有着优异滑动效果的表面,通常包括超疏水表面、超疏油表面、超滑移表面等。由于这些表面良好的疏液效果,它们在防污、自清洁、管道运输、医疗、军事等多个领域有着精彩的表现。近年来,随着研究的深入,超浸润涂层的制备方法逐渐丰富,如微阵列、激光加工、光刻和模板法等,尽管它们各自的应用环境各有优势,但依然存在有局限性。本文在深入调研相关文献的基础上,基于超浸润表面设计原理,通过溶胶凝胶法、共价接枝法结合喷涂法成功制备了具备不同性能和功能的系列超浸润表面,包括超疏油表面、超滑移表面和自修复超滑移表面,系统研究了相关疏液机理,并对其防污性能、机械稳定性以及防腐蚀性能等进行了相关测试。具体为:(1)通过溶胶凝胶法将全氟辛基三氯硅烷与正硅酸四乙酯接枝到气相二氧化硅纳米颗粒上,进行喷涂干燥得到透明超疏油涂层。涂层对水和十六烷的接触角均超过150°且水滑动角为2±0.5°,十六烷滑动角为8.4±0.5°。涂层高度透明在可见波长范围内透过率超过82.3%,且表现出优异的热稳定性、机械稳定性、化学稳定性以及自清洁效果,在300℃的温度热处理2 h,p H 1-14的酸碱液滴以及砂砾从30cm高度冲击表面后,涂层依然保持良好的疏液性能。(2)针对超疏涂层的粗糙结构易受破坏影响疏液性能问题。利用聚酰胺胺(PAMAM)与单缩水甘油醚封端聚二甲基硅氧烷(PDMSME)的环氧/胺共价接枝反应改性环氧树脂,得到透明的超滑移涂层。PAMAM与环氧树脂反应得到高度交联的环氧网络,接枝的PDMS刷提供低表面能并充作液相减小液滴滑动阻力。因此涂层的滑动角极低(<5°),滑动速度达到1.16 mm/s。涂层表现出良好的防污效果,对水、泥浆、墨水以及果汁等液体的滑动角均小于15°。此外由于环氧树脂的抗腐蚀性以及惰性PDMS刷的存在,涂层具有优异的耐腐蚀能力,与原始钢片相比腐蚀电流密度下降了6个数量级。此外涂层具有极佳的热稳定性以及物理化学稳定性,拇指按压、小刀刮擦后以及对不同酸碱值的液体时滑动角都小于10°,120℃热处理100 h后涂层疏液性能稳定。(3)针对涂层遭到破坏后无法恢复疏液性能的问题。在油浴条件下利用PAMAM与PDMSME的环氧/胺反应得到接枝共聚物,将其与聚四氟腊(PFW)以及商用环氧树脂配方按比例混合,喷涂并加热固化得到自修复超滑移涂层。涂层对于一系列低表面能液体均表现出良好的滑动效果,十六烷的滑动角为8.3±0.7°,乙醇的滑动角为6.4±0.7°。由于PDMS刷的润滑效果以及PFW的减摩性,涂层在载荷为3 N下摩擦2 h,摩擦系数曲线保持稳定。并且PFW具有热熔性,因此在高温下加热可以熔化填补破损表面达到自修复的效果,经过多次破坏修复循环后,涂层依然表现出优异的机械稳定性。此外涂层的防腐蚀性能进一步提高,腐蚀电流密度与原始钢片相比下降了8个数量级。将涂层通过喷涂覆盖到常见的木制表面、瓷砖以及钢片,涂层依然具有疏液效果以及自修复效果,表明涂层具有广泛的应用前景。
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