基于VPDMS构建的多功能超疏水材料的制备及其性能研究

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超疏水材料是一类具有特殊的表面润湿性能的功能性材料,具有亲油憎水、自清洁等特点,在抗菌、防腐蚀、防覆冰、自清洁、减阻运输、油/水分离和电磁干扰屏蔽等领域有很好的应用前景。然而,现阶段大部分超疏水材料还存在以下问题:第一,制备成本高、方法复杂;第二,采用含氟的低表面能物质改性,不仅原料昂贵,还对生态系统和人类健康造成不良影响;第三,大部分超疏水材料的机械稳定性和化学稳定性不佳,导致商业化进程缓慢;第四,超疏水材料表面的涂层采用热固化的方式,不仅固化效率低,而且能耗高。因此,在紫外光(UV)固化下,本文采用经济、安全无毒的乙烯基封端聚二甲基硅氧烷(VPDMS)制备了两种多功能超疏水材料。本文先通过水热合成法合成了Co0.8Mg0.2Fe2O4(CMFO)磁性纳米粒子,并用(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(MPTMS)改性CMFO磁性纳米粒子,得到表面具有巯基的功能化Co0.8Mg0.2Fe2O4(FCMFO)磁性纳米粒子。然后将FCMFO磁性纳米粒子与VPDMS体系混合得到有机/无机超疏水涂层。最后,经过浸涂和UV固化相结合的方法制备高度交联的多功能有机/无机磁性超疏水棉布。采用FT-IR、XRD、SEM、EDS、XPS、VSM对有机/无机磁性超疏水棉布的结构和性能进行了表征。同时探究了不同FCMFO磁性纳米粒子与VPDMS的质量比对超疏水棉布性能的影响。结果表明当质量比为0.3时,有机/无机磁性超疏水棉布的水接触角(WCA)达到157.1°,具有良好的自清洁、机械稳定、化学稳定、阻燃、抗拉伸和油/水分离性能。在油/水分离中,借助磁性能通过磁力作用远程控制油/水分离或通过重力作用实现连续油/水分离。仅在重力作用下,二氯甲烷/水混合物的分离效率(η)和流通量(F)分别达到98.7%和71506 L·m-2·h-1。因此,有机/无机磁性超疏水棉布有望成为一种能应用于多领域的多功能超疏水材料。另外,本文通过三步法制备了类“金针菇”状多功能超疏水碳布(S-CF-ZN)。ZnO纳米棒阵列和Ni为碳布提供了具有特殊类“金针菇”状的微/纳米粗糙结构,再经过浸涂和UV固化将VPDMS涂层覆盖在表面。利用XRD、SEM、EDS、XPS对各阶段的碳布进行结构表征,证明了S-CF-ZN的成功制备。同时,研究了电化学沉积Ni的次数对S-CF-ZN的疏水性能和电磁干扰屏蔽性能的影响。结果表明当沉积5次时,S-CF-ZN5的水接触角(WCA)达到159.8°,滚动角(SA)为5°,总屏蔽效能(SE)达到40d B,具有优异的超疏水、自清洁和电磁干扰屏蔽性能。二氯甲烷/水混合物的η和F分别为99.1%和80514 L·m-2·h-1,具有良好的可重复利用性和适用性。经过摩擦和有机溶剂浸泡后仍具有良好的超疏水和电磁干扰屏蔽性能。因此,自清洁型类“金针菇”状多功能超疏水碳布在油/水分离和电磁干扰屏蔽方面具有广阔的市场潜力和发展前景。
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