聚(氟)硅氧烷-TiO2納米復合自清潔涂層的制備新方法與性能研究.pdf

1、自清潔涂層能夠將表面污染物或灰塵顆粒在重力、雨水、風力等外力作用下自動脫落或通過光催化降解而除去，具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，近年來受到了廣泛的關注。目前，基于不同自清潔原理，已發(fā)展了兩類自清潔涂層。一類是超疏水(水接觸角>150°)自清潔涂層，通過水滴滾動帶走灰塵，實現類似于荷葉的自清潔功能。但現有超疏水涂層仍存制備工藝復雜、制備面積小、實際服役時間過短等問題。另一類是基于無機半導體材料光催化分解有機物原理制備的自清潔涂層。在這一類自

2、清潔涂層中，最為典型的是二氧化鈦(TiO2)涂層。純TiO2涂層可通過磁控濺射法、化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法等方法制備，但這些方法一般都需要高真空或高溫處理條件，不適合于大面積制備。本文通過具有光催化活性的TiO2納米粒子與特殊成膜樹脂相結合，在室溫條件下大面積制備了超雙親、超疏水等多種納米復合自清潔涂層，詳細考察了涂層的結構與性能，為自清潔涂層的大規(guī)模實用化奠定了較好的理論和實驗基礎。主要研究內容與結果如下：
　　(1)采用酸

3、催化溶膠-凝膠法制備的SiO2溶膠與自由基溶液聚合制得的含甲氧基硅基苯丙(SA)齊聚物混合為成膜雜化樹脂，氨基硅烷(APS)為固化劑，與TiO2納米粒子復合，在室溫下濕固化得納米復合涂層，再在陽光輻照或人工加速老化下，通過納米TiO2粒子對聚合物鏈段的選擇性光解，制備了超雙親自清潔涂層。研究表明，納米復合涂層中的TiO2納米粒子含量增加或雜化樹脂中SA組分含量減小，涂層在輻照下達到超雙親(分別以水和正己烷為探針液體)所需要的時間縮短。在

4、無機SiO2溶膠與有機SA質量比為9:1，TiO2納米粒子含量為2.0 wt％時，涂層在陽光下輻照10天即可達到超雙親性能，即使TiO2含量減小到0.5 wt％，陽光輻照16天后也能獲得超雙親性。SEM觀察表明，涂層的超雙親特性是由表面點狀微裂紋和暴露的納米TiO2粒子造成的。另外，力學性能測試發(fā)現，涂層在人工加速老化1440小時后仍能保持鉛筆硬度高達4H的力學強度。但當SA組分含量高于30 wt％時，光催化降解后涂層表面出現微粉化，力

5、學性能嚴重劣化。UV-Vis光譜測試表明，涂層老化后透明性有所降低，但1.5 wt％TiO2含量的涂膜仍能保持較高的透明性。亞甲基藍光催化降解實驗表明，所制備的TiO2基超雙親自清潔涂層具有良好的光催化降解有機污染物能力。
　　(2)以雙端羥基氟化聚甲基硅氧烷(PMSF)和雙端含氫聚二甲基硅氧烷(PDHS)為成膜樹脂，將其與納米TiO2粒子復合，利用Karstedt催化劑在室溫下直接制備了聚氟硅氧烷/TiO2納米復合涂層。FT-I

6、R分析表明，PMSF與PDHS之間發(fā)生了脫氫耦合和硅氫加成反應，生成了聚氟硅氧烷成膜基質。SEM和AFM觀察發(fā)現，當TiO2納米粒子含量高于25wt％時，涂層表面出現由納米TiO2粒子自組裝生成的微納結構，涂層具備有“荷葉”型超疏水性能。當TiO2納米粒子含量為35wt％時，涂層的水接觸角高達168.7±2.4°，滾動角0.7±0.3°。而且，所制備的超疏水涂層在全pH值(1-14)、-20-200℃溫度范圍內，或人工加速老化四周后均能

7、保持很好的超疏水性能(WCA>155°)。色拉油污染實驗表明，該超疏水涂層在紫外光照射下，能將污染物光催化分解，恢復到原有超疏水狀態(tài)。冰形成實驗及冰附著力測試顯示，所制備的超疏水涂層具有較好的防覆冰性能。
　　(3)以三乙氧基硅基封端的PMSF樹脂(FPU)和聚甲基苯基硅氧烷(PMBS)為混合成膜樹脂，與納米TiO2粒子復合，采用APS為固化劑，在室溫下直接制備了力學性能優(yōu)異的超疏水涂層。當TiO2納米粒子用量高于35 wt％時，

8、所制備的涂層表面具有接觸角高于150°，滾動角小于10°的“荷葉”型超疏水自清潔性質。SEM和AFM觀察顯示，超疏水涂層表面存在微納復合粗糙結構。涂層表面硬度隨APS固化劑和TiO2納米粒子用量的增加先增加后減小，隨FPU用量的增加而減小。在TiO2納米粒子為35-42 wt％、PMBS/FPU質量比9:1、APS用量為20-30 wt％時，所制備的涂層具有較好的力學強度和疏水性能。QUV加速老化840小時后，涂層表面接觸角沒有發(fā)生明顯

9、減小，仍能保持超疏水性能，力學強度也沒有明顯減小。色拉油光催化降解實驗表明，所制備的超疏水自清潔涂層具有光催化分解有機污染物能力和自我恢復特性。
　　(4)以有機硅樹脂(Dow Corning@3037)為成膜樹脂，APS為固化劑，與Fe3O4納米粒子復合，在室溫條件下，一步法制備了含磁性粒子的納米復合涂層。當Fe3O4納米粒子用量超過48 wt％時，涂層表面具有微納復合粗糙結構。當Fe3O4納米粒子用量為48和56 wt％時，涂