含氟硅抗污自清洁涂层的制备及性能

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人类模仿自然界动植物最典型的例子就是自清洁表面,荷叶表面的自清洁效应为发展耐污性涂层提供了新的理念,所谓荷叶自清洁效应是指水滴能在荷叶表面滚动并带走其表面的污染颗粒,使荷叶表面保持洁净。自清洁应用十分广泛,从玻璃涂层,水泥,油漆到纺织品,很多科研人员企图将自清洁多功能产品商业化从而将这些产品应用到日常生活中。本论文受荷叶效应的启发为了探索制备方法简单,并且适用于工业生产的抗污自清洁涂层,合成了一系列具有低表面能的含氟硅聚合物,并对聚合物构筑的抗污涂层的抗污性能、耐磨性、耐溶剂性等性能进行了评价。本文的研究内容和结论如下:  一方面利用溶液聚合法合成了具有低表面能的含氟无规共聚物,即聚[2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯-r-3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷](PFOEMA-r-APTMS)以及聚[2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯-r-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷] (PFOEMA-r-MPTES)。它们被配制成不同浓度的溶液并喷涂到玻璃表面制备成抗污涂层。利用红外光谱(FTIR)以及核磁共振(1H NMR)表征了聚合物的化学结构,利用耐磨仪、接触角测试仪、原子力显微镜(AFM)等表征方法,探讨了单体种类和摩尔比、聚合物溶液浓度以及处理湿度对涂层性能的影响。结果表明,PFOEMA-r-MPTES比PFOEMA-r-APTMS涂层的耐磨性好很多,氟硅单体最佳投料比为1.5,聚合物浓度为10 mg/mL时,处理湿度为60%时,涂层疏水性最好且有较好的抗污垢性能,而且涂层具有较高的透明度和较好耐磨性。  另一方面采用自由基聚合法合成末端带羟基的聚3-(丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(PAPTMS),然后在三乙胺的作用下,PAPTMS与全氟聚醚酰氟(PFPE-COF)发生基团反应,制备成PAPTMS-COO-PFPE。其被配制成不同浓度的溶液,将棉布浸渍到该溶液中,加入盐酸作为水解的催化剂,最后将棉布在烘箱中烘干,制备成具有超疏水的棉布。利用红外光谱(FTIR)以及核磁共振(1H NMR)表征了产物的化学结构,利用接触角测试仪、X射线光电子能谱(XPS)、耐久性测试等方法,探讨了链转移剂的用量、产物溶液浓度以及盐酸浓度对棉布性能的影响。结果表明,当硅烷单体与链转移剂的摩尔比为8.3%时,其改性的棉布的耐洗涤性和耐溶剂性能最好,产物溶液浓度为3.5 mg/mL是棉布能达到超疏水性能最低的浓度,对棉布改性时加入盐酸对棉布的耐久性能有一定促进作用,pH=4.52时耐久性最好。  最后,在合成PAPTMS-COO-PFPE聚合物后,通过添加纳米二氧化硅粒子,探究其在玻璃表面构筑的自清洁涂层的性能。通过FTIR、接触角测试、耐磨性、耐酸碱性和耐超声性能测试,对该产物改性玻璃进行了研究,结果表明,随着纳米二氧化硅的尺寸增加,玻璃表面的疏水性能也随之增强。透光率测试表明,随着纳米二氧化硅的尺寸的增加,玻璃的透明度下降。涂层的耐磨性在盐酸加入后有所提高,而且在pH=3.52时耐磨性能最好。涂层的耐久性能优异,与玻璃的键接很强。
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