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含氟硅疏水性梯度涂膜的制备及表征

作　者: 徐蕊
导　师: 肖新颜
学　校: 华南理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 核壳乳液梯度涂层低表面能自组装超疏水
分类号: TQ630.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

具有“荷叶效应”的超疏水自清洁涂层因独特的表面性能和潜在的应用价值引起了人们的广泛关注。采用核壳乳液聚合法和自分层梯度技术,可制备出氟硅元素富集于表层的疏水性功能梯度涂层材料。采用溶胶–凝胶法和氟硅氧烷的自组装技术,将表面粗糙度的构造和低表面能物质的修饰进行有机结合,可制备出超疏水SiO2涂膜。以甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)为主要单体,甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFMA)、γ–甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH–570)等为功能单体,采用半连续种子乳液聚合法,合成了含氟硅丙烯酸酯核壳乳液。讨论了乳化剂的类型和用量,氟硅单体用量对乳液及乳胶膜性能的影响,采用两种不同方法对乳胶膜的表面自由能进行了估算。采用马尔文粒度仪、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶红外光谱(FT–IR)、核磁共振(1H NMR和19F NMR)、接触角测试仪(CA)、X–射线光电子能谱(XPS)、差示扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TG)等对乳胶粒子和乳胶膜的性能进行了表征。结果表明,氟硅单体有效地参与了共聚,所制备的乳胶粒子具有明显的核壳结构;随壳层中氟硅单体含量的增加,涂膜的疏水疏油性增强,当DFMA和KH–570用量分别为16%和5%时,乳胶膜吸水率可低至4.5%,对去离子水和二碘甲烷的接触角可分别高达110.6°和76.8°;乳胶膜的最低表面能为15.4 mN?m-1,和聚四氟乙烯的相当;少量氟硅单体的加入,可使涂膜的热分解温度分别提高77℃和89℃;XPS分析证实,低表面能的含氟硅基团在乳液成膜过程中优先向涂膜/空气界面迁移,并在其表面富集。采用溶胶–凝胶法制备了一系列不同粒径的SiO2溶胶并进行了改性,利用提拉法和氟硅氧烷的自组装功能制备出超疏水涂膜。探讨了硅烷偶联剂(KH–570)用量和SiO2粒径对涂膜表面微观结构和疏水性能的影响,并用固体表面相关理论模型进行了分析。结果表明,制备的SiO2粒子尺寸均一,分散均匀,硅烷偶联剂KH–570成功地接枝到了SiO2表面;当KH–570用量为30%~35%时,涂膜表面光滑规整,对去离子水的接触角可高达152.9°;纳米级SiO2溶胶膜表面构成了符合Cassie模型的复合微观结构界面,将双微观粗糙表面的构造与低表面能物质的修饰进行有机结合是构建超疏水表面的有效途径。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-26
  引言  11
  1.1 超疏水表面  11-15
    1.1.1 固体表面的润湿性  11-12
    1.1.2 超疏水表面的基本理论  12-15
  1.2 超疏水表面的构造  15-20
    1.2.1 构造超疏水表面常用物质  15-16
    1.2.2 超疏水表面的制备方法  16-18
    1.2.3 超疏水表面的研究进展  18-20
  1.3 氟硅材料在超疏水表面制备中的应用  20-24
    1.3.1 乳液法  20-23
    1.3.2 自组装法  23-24
  1.4 本文的研究意义、内容及创新之处  24-26
    1.4.1 研究意义  24
    1.4.2 研究内容  24-25
    1.4.3 本文的创新之处  25-26
第二章氟硅丙核壳乳液的制备及涂膜性能表征  26-48
  引言  26
  2.1 实验部分  26-30
    2.1.1 实验原料  26-27
    2.1.2 含氟硅丙烯酸酯核壳乳液的合成  27-28
    2.1.3 分析及表征  28-30
  2.2 结果与讨论  30-39
    2.2.1 氟硅丙核壳乳液工艺和配方的确定  30-31
    2.2.2 乳化剂的选择及用量的确定  31-34
    2.2.3 氟单体用量的影响  34-35
    2.2.4 有机硅单体的选择及用量的确定  35-36
    2.2.5 涂膜表面自由能估算  36-39
  2.3 含氟硅聚合物形态结构及性能的表征  39-46
    2.3.1 粒径分析  39
    2.3.2 TEM表征  39-40
    2.3.3 FT–IR表征  40-41
    2.3.4 NMR表征  41-42
    2.3.5 XPS分析  42-45
    2.3.6 DSC分析  45
    2.3.7 TG分析  45-46
  2.4 本章小结  46-48
第三章溶胶-凝胶法改性SiO_2膜的疏水性能研究  48-58
  引言  48-49
  3.1 实验部分  49-50
    3.1.1 实验原料  49
    3.1.2 SiO_2 溶胶的制备和表面改性  49
    3.1.3 提拉法制备SiO_2 疏水性涂膜  49-50
    3.1.4 测试与表征  50
  3.2 结果与讨论  50-56
    3.2.1 SiO_2 溶胶的合成工艺  50-52
    3.2.2 SiO_2 溶胶的粒径分析  52
    3.2.3 SiO_2 溶胶FT–IR分析  52-53
    3.2.4 改性 SiO_2 膜的疏水性能  53-55
    3.2.5 疏水SiO_2 膜的理论模型分析  55-56
  3.3 本章小结  56-58
结论及建议  58-60
参考文献  60-68
符号说明  68-69
攻读硕士学位期间取得的研究成果  69-70
致谢  70

含氟硅疏水性梯度涂膜的制备及表征

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