聚二甲基硅氧烷/MCM-41 超疏水涂层的制备与性能研究

聚二甲基硅氧烷/MCM-41 超疏水涂层的制备与性能研究

由于超疏水涂层表现出优异的特点如防冰性、耐油水分离性、防雾性、自清洁性、防污性、减阻性等，从而受到了研究者们的广泛关注。制备超疏水涂层的方案主要有2种：（1）对疏水表面进行粗糙化处理；（2）引入低表面能材料对粗糙表面进行疏水改性。

采用方案（1）对疏水表面进行粗糙化处理的方法有：静电纺丝法、化学气相沉积法（CVD）、等离子刻蚀、溶胶-凝胶法、光刻法等。然而，以上方法存在如设备成本昂贵、工艺复杂、对操作技术要求较高等缺点。

为了克服上述问题，研究者们通常采用方案（2）即引入低表面能材料对粗糙表面进行疏水改性，通常采用化学改性如接枝的方法引入有机硅或有机氟官能团，使其与二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）通过化学键进行结合，得到具有疏水功能的SiO2 NPs，随后通过树脂基体、化学吸附或物理吸附使功能化的SiO2 NPs与基体牢牢结合形成超疏水涂层。Tian等通过引入1H，1H，2H，2H-全氟十二烷基三乙氧基硅烷（PFDTES）对SiO2 NPs进行改性，通过官能团接枝实现化学结合，但是此方法引入了氟化官能团，可能会对环境造成污染，且采用了较为复杂的化学接枝方法，制备工艺较为繁琐。Sun等采用两步法对SiO2 NPs进行疏水改性，首先用乙烯基三乙氧基硅烷（VTEOS）对SiO2 NPs进行改性，随后使硅烷改性的SiO2 NPs和苯乙烯（St）进行反应，使St上的一些疏水官能团接枝到SiO2 NPs颗粒上实现疏水改性。然而，此方法较为繁琐（需要两步改性），不适合批量生产及大规模应用。Seyfi等采用了简单的喷涂法制备了弹性聚氨酯（TPU）/改性的SiO2 NPs超疏水涂层，但是也引入了较为复杂的接枝方法，所制备的涂层力学性能较差且需要高温固化，对能源形成了浪费。Wang 等设计了一种改善超疏水涂层耐磨性的方案，通过引入硅氧烷单体将SiO2 NPs进行包覆，形成复杂网状颗粒结构实现对SiO2 NPs的疏水化改性，之后将其与聚甲基氢硅氧烷（PMHS）混合制备超疏水涂层，该涂层可以耐150周期的磨损试验和500次胶带剥离试验。然而此方法依然采用了接枝的方法对SiO2 NPs进行改性，且需要高温固化。通过上述研究可以看出，普通的SiO2（无孔SiO2）的改性方法仅限于化学接枝法。

基于无孔SiO2改性的局限性，本研究引入了介孔SiO2纳米颗粒（MCM-41）。MCM-41具有比表面积大（900 m2/g）、内部多孔结构（孔径2~20 nm）的特点，在催化剂载体、生命医学、载药等方面已得到应用，但在超疏水方面鲜有应用。

本研究提出了一个简单易行且可大规模应用的制备超疏水涂层的方法：首先，利用MCM-41内部多孔结构、极大的比表面积（>900 m2/g）及强吸附性等特点，采用真空负压法将低表面能的PDMS载入MCM-41中，制得疏水改性的MCM-41（MCM-41/PDMS）；随后，使用共混法将MCM-41/PDMS、环氧树脂、固化剂和稀释剂进行混合制得超疏水涂料；后，采用简单的喷涂法将涂料喷涂在基底表面形成环氧/聚二甲基硅氧烷/MCM-41超疏水涂层。此外，通过调整MCM-41/PDMS和环氧树脂的配比，得到了的疏水性和附着力的佳平衡，并对该配方下的超疏水涂层进行机械耐久性测试如耐胶带剥离测试和耐磨性测试。