仿生氟硅透明疏水涂层的制备与应用研究

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随着疏水涂层研究的深入,人们对涂层的要求也越来越高,根据应用环境的不同合成具有特定功能的涂层已成为未来疏水行业的一个趋势,譬如应用在数码产品的触摸屏或者汽车挡风玻璃等透明玻璃基材表面的防污疏水涂层等,这就要求涂层在达到疏水标准的同时,透明度和耐摩擦性能成为了非常重要的参数。但是,透明性却会因涂层微观粗糙度的增大而降低,所以,把握合适的粗糙度,以达到更好的疏水透明性及耐摩擦成为当前领域的重点及难点。鉴于此,本文的具体研究内容如下:(1)以γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)为改性剂,正硅酸乙酯(TEOS)为水解前躯体,采用溶胶-凝胶法制得乙烯基改性纳米硅溶胶(VS),将VS与含氟氢硅油(FPHMS)和全氟辛基乙烯(vi-F17)进行硅氢化加成反应制得纳米杂化氟硅疏水树脂(FSi-1),进一步在玻璃表面涂覆FSi-1产生疏水透明涂层。通过FTIR、TEM、TGA、AFM和静态角接触测量仪(WCA)等对产物的组成、结构及性能进行了测试,考察了VS的添加量对FSi-1稳定性和FSi-1含量对涂层性能的影响,并探讨了VS的加入对涂层性能的影响。结果表明:VS在微观上表现出多相分离的微球结构,分散均一,且w(VS)为10%时,FSi-1体系稳定。当w(FSi-1)为0.5%时,涂层透光性基本不受影响,涂层硬度为5H,静态接触角可达120.5°,粗糙度Ra为0.032μm,且耐摩擦次数达到1000次时,静态接触角为91.8°,仍具疏水效果,而未添加VS的树脂涂层当摩擦次数达到600次后,玻璃表面已不具备疏水效果,静态接触角只有80.4°。(2)在氯铂酸(H2PtCl6)催化剂的作用下,以1,3,5,7-四甲基环四硅烷(D4H)与乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)为原料,通过硅氢加成法制备了反应性环体有机硅氧烷中间体(DV);将DV、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTS)进行水解缩聚得到交联网状纳米杂化氟硅树脂(PTDV)。进一步在玻璃表面涂覆PTDV产生疏水透明涂层。通过FTIR、TEM、SEM、TGA、AFM和静态角接触测量仪(WCA)等对产物的组成、结构及性能进行了测试。结果表明,当固化温度为140℃、n(PFOTS):n(DV)=3:1,w(PTDV)为0.6%时,涂层的透明性为82%,疏水接触角达125.8°,硬度4H,耐摩擦牢度为1298次,而且涂层在30300℃之间热稳定性良好。TEM照片及粒径分析仪显示,产物PTDV的粒径平均在245.8 nm左右,分布比较均匀,从AFM照片可以看出表面有许多高低不平的微突体,均方根粗糙度Rq为3.465 nm,表明此方案成功构筑了表面的微纳米粗糙结构,实现了无机纳米粒子与有机氟硅的有效结合。(3)以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,采用Stober法,制备了尺寸均一、分散均匀且呈规则圆球状的纳米SiO2微球NAS,然后在玻璃表面形成纳米涂层。另一方面,将烯丙基全氟聚醚(vi-PFPE)与三甲氧基含氢硅氧烷(TMS)在络合铂(H2PtCl6)催化剂的作用下,通过硅氢化加成反应制得全氟聚醚硅氧烷(PFPEO)。再经稀释的PFPEO通过自组装在含有NAS纳米涂层的透明玻璃表面固化成膜获得纳米杂化疏水涂层。通过FTIR、TEM、FE-SEM、WCA和AFM等手段对产物的结构以及成膜形态进行了讨论。结果表明,当w(NAS)=6%、w(PFPEO)=0.5%,固化温度为150℃时,所产生的防污防指纹涂层的透光率达80%,而且疏水疏油接触角分别为120.3°、85.2°,涂层的硬度达到5H,而且自组装涂层的耐摩擦次数可以达到1500次以上时仍具有疏水效果。通过FE-SEM和AFM照片可以明显观察到涂层微观表面有许多类似于荷叶表面的微凸结构,实现了纳米粒子与低表面物质的有效结合,这是涂层产生疏水的关键依据。
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