透明超疏水疏油涂层的制备及性能_刘朝杨
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0
)卷2013年第6期(44
透明超疏水疏油涂层的制备及性能
2
刘朝杨1,程 璇1,
*
(福建厦门31.厦门大学材料学院,61005;
)福建厦门32.厦门大学福建省特种先进材料重点实验室,61005
摘 要:采用喷涂的iO 以纳米S2和聚合物为原料,
方法,在不同基材的复杂工件表面形成均一涂层,并研究了S所得涂iO2含量对涂层性能的影响。结果表明,
,,层与水接触角>1与油的接触角超过9具有超50°0°疏水性和疏油性。此外,涂层具有很好的透明性,涂层
硬度高达6附着力达到5涂H,B。适当添加纳米SiO2,层的疏水性、疏油性以及透过率均得到增强。关键词:疏油;透明;涂层SiO 超疏水;2;
文献标识码:中图分类号:647A O
()文章编号:10019731201306087004---
2 实 验
2.1 试剂及基材
氨基丙烯酸树脂:自制;二甲苯、异丙醇:工业级,国药集团化学试剂有限公司;纳米SiO2粉末:赢创德固赛(中国)投资有限公司;氟硅烷:思康新材料发展有
铜和铁3种基材,不同基材的复杂限公司。采用玻璃、
工件由厦门市金宝源实业有限公司提供。
2.2 涂层制备
以氨基丙烯酸树脂为成膜树脂,二甲苯为溶剂,与
考察纳米SSiOiO2纳米粒子高速剪切搅拌混合,2含量分别为0、质量分数)时对涂层性5%、10%和15%(
能的影响。采用喷涂的方法,将制成的悬浮液首先喷除油的不同基材表面,然后再喷上一薄层氟硅在除水、烷溶液,静置一段时间后放入烘箱,在150℃固化1h,即制得所需涂层。
2.3 涂层表征
使用德国克吕氏有限公司DSA100接触角测量仪测试涂层的疏水性及疏油性,以超纯水/食用油为疏水/疏油的探针液体,滴液经微注射器排出,滴量为4/滴,!L滴液平衡时间以接触角读数基本不变为准,每个试样取5次平均值。采用荷兰FEI公司XL30环境扫描电镜(和日本JESEM)EOL公司JEM-2100高分辨透射电镜(对涂层的表面形貌和微观结构HRTEM)
进行观察。涂层的透过率由日本岛津公司UV2550-紫外-可见分光光度计测定,范围为200~800nm。按照A采用铅笔STM D336305和D335909操作方法,--硬度法和划格试验法分别测试涂层的硬度及附着力。
1 引 言
以荷叶为代表的表面自清洁效应,被称为“荷叶效
[1]
,是由粗糙表面上微米-纳米复合结构的乳突以应”
及表面疏水的蜡状物质共同引起的。这些自清洁表面具有很好的超疏水性,以及较强的抗污染能力,即表面污染物如灰尘等可以被滚落的水滴带走而不留下任何痕迹。自清洁涂层具有节水、节能、环保等优势,越来
]29-
,越受到人们的广泛关注[是目前材料学科研究的热
点之一。
基于“荷叶效应”的超疏水表面可以通过两种方法来制备:一种是利用疏水材料来构建表面粗糙结构;另一种是在粗糙表面上修饰低表面能物质。可见,制备超疏水表面的关键是有效构筑粗糙的表面结构以及进行表面化学修饰。透明性与粗糙度是两个相互竞争的控制合适的表面粗糙度,以达到较好的表面透明因素,
性是当前该领域的研究难点。目前报道的超疏水薄膜
10,11]12]
,,表面透明性很差[与基材的结合力较弱[极易
使得其实用价值大打折扣。此外,有些超疏发生脱落,
13]
,水表面不疏油[而在现实生活中,很多污染物为有
疏油表面能有效阻止或减少有机污染物的附着,机物,
3 结果与讨论
3.1 涂层疏水性
涂层的疏水性可通过表面对水的静态接触角来表征。单纯使用氨基丙烯酸涂料制备的涂层在铜基材表。添加不同纳米S面的水接触角仅为80°iO2含量时涂
层在玻璃、铜和铁3种基材以及采用不同改性剂的水接触角如图1所示。
()从图1可知,经过六甲基二硅氮烷(改aHMDS)性,3种基材的水接触角都随着纳米SiO2含量的增加
从而真正达到自清洁效果。
本文以纳米S与氨基丙iO2为原料构筑粗糙结构,
烯酸树脂共混,采用喷涂方法,在不同基材的复杂工件表面,制备透明、附着力强且硬度高的超疏水疏油涂层,并考察SiO2含量对涂层性能的影响。
*
)基金项目:福建省特种先进材料重点实验室基金资助项目(2006L2003
::收到初稿日期2收到修改稿日期2通讯作者:程 璇01208150121020----:(),,,,,作者简介刘朝杨 1987-男福建永定人在读硕士师承程璇教授主要从事超疏水材料制备及性能研究。
刘朝杨等:透明超疏水疏油涂层的制备及性能
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而增大。当添加1质量分数)的S铜和玻璃5%(iO2时,
,为超疏水表面,而铁基基材涂层的水接触角超过150°,材涂层的水接触角接近1表面接近超疏水。这是50°
因为引入纳米S极大地提高了涂iO2产生的粗糙表面,层的疏水性。
此外,铜基材涂层的水接触角与添加纳米SiO2所使用的改性剂有很大关系,如图1(所示,改性剂b)HMDS的效果明显比γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-
)好。当添加1质量分数)的S5505%(iOHMDS2时,改性的纳米SiO2涂层表面达到了超疏水。这是因为所以能显六甲基二硅氮烷上的6个甲基为疏水基团,著增加涂层的疏水性
。
图3 不同SiO2添加量时涂层与空白玻璃表面透过率
比较
risFi3Ultravioletvisibletransmittancesectraof- -pgp
lasstineandhdrohobicsurfacesmodified gypwithdifferentamountsofSiO 2
由图3可知,在可见光波长范围内(380~
图1
涂层的水接触角
,空白玻璃的透过率最好,虽然未添加或添加780nm)
质量分数)的S量<15%(iO2的涂层表面透过率明显
减小,但都保持在8具有很好的透明性。添3%以上,加1质量分数)的S5%(iO2的涂层表面透过率超过
透明性最好。87%,
3.4 涂层微观形貌图4给出了不同SiO2添加量涂层的表面形貌和
))微观结构图片。由图4(可知,随着SadiO~(2含量的增加,表面形貌从低粗糙度向高粗糙度过渡。当
质量分数)时,涂层出现了类似于荷SiO5%(2含量为1叶表面的微米-纳米复合结构,使涂层具备超疏水和疏
。由图4()油性(如图4(所示)可知,涂层表面的d)e分散比较均匀。SiO0nm,2原生粒径约为1
3.5 涂层力学性能
涂层的力学性能是实际应用中非常重要的性质。按照A采用铅STM D336305和D335909国际标准,--笔硬度计和划格试验分别测得涂层的铅笔硬度和附着力结果见表1。
采用氨基丙烯酸树脂作为成膜物质,可赋予涂层
未添较高的铅笔硬度和较强的附着力。由表1可知,加SiOH。添加SiO2时涂层的铅笔硬度只有32后涂
层的铅笔硬度达到该标准的最高硬度6可见纳米H,
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SiO2粒子对涂层硬度的提高具有显著作用。所有涂
说明所制层的附着力都达到了该标准的最高级别5B,备的涂层与基材表面具有良好的结合力,可以满足使
用要求。
图4 不同SiOSEM图片和涂层的TEM图片2含量的E
,Fi4ESEMimaesofsurfacecoatinsatvarioussilicaarticleconcentrationsTEMimaeofsurfacecoatin gggpgg
[]3aoX,SonYL,JianL.Alicationsofbioinsired表1 涂层的铅笔硬度与附着力 Y -ggppp Table1Thehardnessandadhesionofcoatinsencil gp
涂层组成0SiO2
0SiO2+氟硅烷
质量分数)SiO5%(2+氟硅烷质量分数)SiO10%(2+氟硅烷质量分数)15%(SiO2+氟硅烷
铅笔硬度(H)附着力(B)
3 3 6 6 6
55555
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4 结 论
采用喷涂的方法,以氨基丙烯酸树脂为成膜树脂,与S先喷涂在基材上,iO2纳米粒子复合制成悬浮液,再喷上一薄层氟硅烷溶液,制得透明性好、结合力强以及硬度高的超疏水疏油表面涂层,具备自清洁特性。纳米SiO2用量对调控涂层的粗糙度和透过率起到关添加1键作用,5%的SiO2涂层效果最好。方法简单易行,不受基材性质和形状的限制,可直接应用于制备复杂工件的表面涂层。参考文献:
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roertiesSnthesisandoftransarentsuerhdrohobic ppyppyp
oleohobiccoatinsand pg
112
LIUChaoCHENGXuanan -y g,
,
(,,;1.ColleeofMaterialsXiamenUniversitXiamen361005,China gy
,,)2.FuianKeLaboratorofAdvancedMaterialsXiamenUniversitXiamen361005,China jyyy
:AbstractTheuniformcoatinswereobtainedbsrainnanosilicaandsusensionsintosurarticlesolmer -gypygpppy facesofdifferentsubstratesbasedartswithcomlicatedshaes.TheeffectsofSiOmountsonroertiesof ppppp2asurfacecoatinswereinvestiated.Itwasshownthatthewatercontactanlesmeasuredonthesurfaceofcoat -ggg
,w,inswerelarerthan150°hiletheoilcontactanleswerehiherthan90°imlinthesuerhdrohobic ggggpygpyp ,andoleohobicsurfacecoatins.Inadditionthecoatinsshowedexcellenttransarencies.Thehardnessand pggp
,adhesionofthecoatinsreachedthehihestlevelsof6Hand5B,resectivelundertheinternationalstandards ggpy,,ofASTM D336305andD335909.Thehdrohobicitoleohobicitandtransmittanceofsurfacecoatins - - ypypygwereenhancedbtheadditionsofaroriateamountsofnanosilicaarticles. pyppp
:;;;;Kewordssuerhdrohobicoleohobictransarentsilicacoatingypyppp
櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋(上接第869页)
,Snthesisoticandelectrochemicalroertiesof yppp()])[]28hdroxuinoline2l52-thienl60fullerenerrolidine-[-----( yyqyypy
122
,LIXianziWEIXianen - -wg
,
(,W,Wu;1.DeartmentofChemistrannanMedicalColleehu241002,China pyg,,Wu)2.ColleeofChemistrandMaterialsScienceAnhuiNormalUniversithu241000,China gyy
:A()])[Abstractnewcomound28hdroxuinoline2l52thienl60]fullerenerrolidinewassnthe -[-----(- -pyyqyypyy
,,MAsizedvia1,3diolarccloadditionreaction.ThewascharacterizedbUV-VisFTIR,RamanLroduct - --pyyp
113
,roertiesDIOF MSH NMRandNMR.Itsoticandelectrochemicalhavealsobeenstudied.There-T C -ppp
sultsshowthatcomarinwithCitswavelenthsofultravioletabsortionandfluorescenceemissionallshow pggp60,
,eakotentialsroitiousredshiftanditshalfaearobviousneativeshift.Itismoretobealiedinthe- -p pppppgppfieldofhotoelectronicconversion. p
:;;Kewordsfullerenerrolidine8hdroxuinolineCroerties -60;ypyyyqpp