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二氧化硅-硅树脂复合超疏水涂层:可喷涂、可模塑

来源:百度百科 点击次数:71 发表时间:2020-05-26

超疏水表面(涂层)在减阻、节能、防冰以及防生物淤积等应用领域有着不可替代的作用。近来,人们已经发展了诸多自下而上或是自上而下的制备策略,用以构筑具有低表面能和粗糙表面结构的功能性超疏水涂层。但是,微纳结构表面构筑过程的复杂性以及微纳粗糙结构易磨损特点使得超疏水涂层在制备成本和使用寿命方面受到极大地制约。发展简便策略实现具有高耐磨或易修复、可再生的超疏水表面的的功能涂层是该领域的重要发展方向。

近日,加拿大多伦多大学 (University of Toronto) Shaker A. Meguid教授研究团队以纳米二氧化硅颗粒和硅树脂为原料,基于简便的工业化喷涂技术或传统树脂模塑加工技术,简便实现了具有多功能性复合超疏水涂层的构筑。同时,研究团队对两类超疏水涂层体系的组份构成与表面疏水性能的关系进行了详细的表征分析;系统测试表明:该研究成果中构筑的超疏水涂层具有优异的弹性、耐久性以及超疏水表面可再生性能,具有广阔的实际工业化应用前景。

 

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超疏水涂层或块体材料的制备过程示意图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces
 
对于喷涂工艺制备复合超疏涂层,研究团队对不同二氧化硅掺杂浓度(0 ~ 33 wt %)的超疏水体系进行了系统的研究。随着二氧化硅掺杂浓度的增加,涂层逐渐呈现明亮色彩;当二氧化硅掺杂浓度>9 wt %时,复合涂层表面达到超疏状态(水接触角>150° ,滚动角<10°);当二氧化硅掺杂浓度达到33 wt %时,涂层表面水接触角达约171°、滚动角仅为约2°,但是涂层耐久性显著降低。

 

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二氧化硅掺杂浓度对涂层表面色泽及疏水性的影响。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces
 
基于SEM和AFM对复合涂层表面形貌测试表明:纳米颗粒引入构筑的表面微纳粗糙结构是实现涂层表面超疏水特性的关键因素。当二氧化硅掺杂浓度为7 wt%时,二氧化硅包埋在硅树脂中,涂层表面粗糙度较小、疏水性提升较小;当二氧化硅掺杂浓度为14 wt%时,直径~ 10-25 μm的二氧化硅球状颗粒分布在涂层表面显著提升涂层表面粗糙度和疏水性。

 

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二氧化硅掺杂浓度对涂层表面形貌的影响。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces
 
此外,研究团队基于模塑技术实现二氧化硅-硅树脂复合块体超疏水材料的简便构筑。同样,体系二氧化硅掺杂量对材料表面的疏水性能有着重要影响。随着二氧化硅掺杂量增加,材料表面疏水性逐渐增加,二氧化硅掺杂量为9 wt%时,涂层表面水接触角达约167°、滚动角约6°;但是当二氧化硅掺杂量超过10%,难以得到均相乳液用于模塑。同样,SEM测试表明,一定浓度的二氧化硅掺杂是构筑涂层表面粗糙结构的关键。

 

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二氧化硅掺杂量对复合块体超疏水材料性能的影响。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces
 
在表面抗污染方面,所制备超疏水涂层及块体超疏材料皆呈现出表面自清洁特性。同时,基底粘附性测试表明,喷涂工艺制备的复合涂层具有优异的基底粘附性能。

 

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超疏水涂层自清洁性能展示。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces
 
此外,该研究中所制备两种超疏水涂层皆展现出优异的耐高温(350 ℃)、耐化学腐蚀(pH 1 ~ 13)性能;块体超疏水材料还呈现出呈现优异的可压缩性能(1 ~ 10 MPa);同时,块体超疏水材料整体均一的超疏水特赋予其表面超疏水特性的持续可再生能力。

 

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超疏水涂层耐热、耐化学腐蚀及可压缩性能测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces
 
总结

“无机-有机掺杂”是目前构筑复合超疏水涂层的常用简便策略之一。采用该策略该研究成果实现了二氧化硅-硅树脂基高性能复合涂层以及模塑块体超疏水材料的简便构筑;该超疏水涂层材料展现出的卓越耐高温、耐化学腐蚀性能以及表面疏水性能可再生性使其在长寿命、高防腐涂层方面具有极大地应用前景。

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