超疏水涂料的制备及其防覆冰性能集成灶

超疏水涂料的制备及其防覆冰性能

仇伟1，2，刘见祥1，2，曾舒1，2，张波1，2，冯利军3 ( 1． 贵州省冶金化工研究所，贵阳550002; 2． 贵州省纳米材料工程中心，贵阳550002;3． 中国兵器工业第五九研究所，重庆400039)

［摘要］ 基于室温硫化硅橡胶( RTV) 技术，以端羟基聚硅氧烷( 107 硅橡胶) 为成膜树脂，添加纳米二氧化硅粒子，在室温下制备出超疏水涂层，对其表面形貌和疏水性进行了表征和分析。结果表明，涂层表面具有类似荷叶的微米-纳米双重结构，其水滴静态接触角可达165°，滚动角仅为3． 8°。通过覆冰试验发现，超疏水涂层在初期阶段降低了覆冰的增长速率，具有明显的防覆冰效果okmart.com。

［关键词］ 超疏水; 覆冰; 接触角; 微观结构

［中图分类号］TQ630． 6 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-3660( 2012) 06-0108-03

超疏水表面具有很高的疏水性能和自清洁性能，在自清洁涂料，金属防腐、防雾、防冰，光伏电池等领域有巨大的应用潜力［1 － 4］，从而引起了人们很大的研究兴趣。Barthlott 和Neinhuis［5］通过研究具有超疏水性的植物叶表面的微观结构，发现这种超疏水性能是由植物叶表面粗糙的微米-纳米双重结构以及表面蜡状物的存在共同引起的。目前已有大量关于超疏水表面制备方法的报道，主要包括化学气相沉积法、模板法、溶胶-凝胶法、刻蚀法和聚合物相分离法等［6 － 7］。然而，大多数方法的制备条件苛刻，成本较高且过程复杂，形成的涂层往往需要加热处理才具有超疏水性能，这限制了其应用。文中基于室温硫化硅橡胶( RTV) 技术，在室温条件下制备出具有微米-纳米双重微观结构的超疏水涂层，研究了其表面形貌与原料含量间的关系，并初步探讨了防覆冰性能。

1· 实验

1． 1 原料

羟基聚二甲基硅氧烷( 简称107 硅橡胶) : 黏度5000 mPa·s，工业级，广州市亿成有机硅有限公司; 十七氟癸基三乙氧基硅烷( F-1060) : 工业级，泉州思康新材料发展有限公司; 甲基三甲氧基硅烷( D20) : 工业级，湖北新蓝天新材料股份有限公司; 乙二醇甲醚醋酸酯( PMA) 、甲苯和二月桂酸二丁基锡: 工业级，市售;纳米二氧化硅粉体( SiO2-P) : 粒径50 ～ 60 nm，自制;D20 改性纳米二氧化硅PMA 胶体( SiO2-C) : 粒径10 ～20 nm，呈透明液体，自制。

1． 2 超疏水涂料及涂层的制备

称取5 g 107 硅橡胶溶解于40 g 甲苯中，加入5 gSiO2-P，在冷水冷却及回流条件下，用乳化剂乳化1 h，然后加入25 g SiO2-C( SiO2固含量为20%) 和5 g 107硅橡胶，继续乳化2 h，再加入15 g PMA 溶剂，分散均匀后，加入5 g 固化剂( F-1060 或D20) 和适量二月桂酸二丁基锡( 促进剂) ，分散5 ～ 10 min，即得涂料。将涂料浸涂或喷涂于经酸或碱预处理过的载玻片上，于室温下放置24 h，待硅树脂、固化剂与纳米SiO2表面剩余的Si—OH 完全交联固化，即制得涂层。

1． 3 表征及性能测试

1) 用JSM-6490LV 扫描电镜( 日本电子公司) 观察超疏水涂层的表面形貌，加速电压20 kV。 2) 用DropMeter TM A-100P 接触角测定仪( 宁波迈时检测科技有限公司) 测定涂层表面与4 μL 水滴的静态接触角、动态接触角和滚动角，每次测试均重复3次。

3) 将涂覆超疏水涂层的载玻片和裸载玻片称量后，以30°倾斜角同时放入冷冻箱内，设定温度为－ 10℃，放置7 天，每隔1 天对两个载玻片进行称量，通过分析其增加的质量( Δm) 评价超疏水涂层的防冰性能。

2· 结果与讨论

2． 1 涂层的表面形貌及疏水性能

涂层要实现超疏水性能，仅靠低表面能材料还不够，必须在低表面能材料上构建微米-纳米双重粗糙的微观结构才能实现。图1 为所得超疏水涂层的SEM图，可见通过交联成膜固化后，粒径较大的无机纳米颗粒与107 硅橡胶反应改性后，在成膜过程中相互聚集，形成微米级的乳突; 而较小粒径的纳米颗粒由于表面被D20 改性，与有机硅树脂交联的机会减少，只有少量剩余的硅羟基发生反应，产生接枝，并大量分布在微米级乳突中，从而形成类似荷叶表面的微米-纳米双重结构。

固化剂为含氟或烷烃基的硅氧烷，具有疏水性，交联固化时，在形成的硫化硅橡胶表面同时引入了疏水基团; 同时，固化剂也与D20 改性小颗粒纳米粒子表面剩余的Si—OH 基反应，进一步提高了其疏水性能。这些疏水基团起到了荷叶表面微米-纳米结构中低表面能蜡晶的作用，从而使涂层表面呈现“荷叶效应”，具备超疏水性能。图2 为水滴在超疏水表面的形状图，可见水滴近似球状矗立于涂层之上，其静态接触角可达165°，滚动角仅为3． 8°。这是因为水滴在接触涂层表面时，微米-纳米双重结构中乳突间的空隙内只存在纳米级厚的空气层，使得尺寸远大于这种结构的水滴只能隔着空气在乳突上形成点接触，而不能渗入到乳突间的缝隙中，达到Cassie 理论所描述的超疏水状态［8］。

2． 2 硅树脂含量对涂层表面形貌及疏水性能的影响

保持纳米二氧化硅固含量为10% 不变( 质量分数5%的SiO2-P + 质量分数25% 的SiO2-C) ，改变107 硅橡胶的质量分数为10%， 20% 和30%，以F-1060 作固化剂。图3 为所得涂层的表面形貌及其与水滴静态接触角的状况。由图3 可见，硅树脂用量对涂层表面粗糙度及微观结构的影响很大，随着107 硅橡胶用量的增加，涂层表面粗糙度下降，从而导致其与水滴间的静态接触角减小。这主要是由于不同粒径的纳米颗粒相互聚集，并被硅树脂包覆及交联，从而产生微米-纳米双重微观结构; 当有机硅树脂含量过大时，树脂对微米乳突间的空隙进行填充，降低了表面粗糙度，使微米-纳米双重结构被破坏或难以形成［9］，从而降低了其疏水性能。

2． 3 超疏水涂层的防冰性能

图4 为涂覆超疏水涂层的载玻片和裸载玻片表面覆冰质量增加量随时间的变化曲线。由图4 可知，超疏水涂层具有一定的防冰性能，在试验的初期阶段，明显推迟了覆冰的增长速率。这是因为冰在超疏水表面的粘附能力比其在平滑亲水表面的粘附力要低很多，从而冰晶脱离表面的剪切力更小，因此超疏水表面的覆冰能力减小［10 － 11］; 此外，由于超疏水表面与水滴具有更小的接触面积，使得水在超疏水表面开始形成冰核的时间延长，与普通亲水表面相比，延长了近10倍［12］。不过，当连续结冰4 天后，其覆冰速率逐渐增加，防冰性能开始减弱，之后慢慢丧失，导致结冰质量稳定增加。这是由于当温度低于水的露点时，大气中的水汽在超疏水表面开始凝结，并且随着凝结时间的延长，超疏水表面与水的静态接触角将减小，而滞后接触角将增大，使得水滴的迁移性能变弱，涂层超疏水性能减弱［11］。随后，进一步凝结的水滴不仅仅只存在于疏水表面的顶部，它们会进入到微结构中形成冰晶，从而增加涂层表面与水滴间的接触面积，使得形成的冰与涂层表面的粘结力增大，不易脱离; 之后，新的结冰过程在冰晶上继续进行，最终使超疏水表面不再具有防冰性能［11］。

3 ·结论

1) 根据文中方法制备的涂层，其表面具有类似荷叶的微米-纳米双重微观结构，与水滴间的静态接触角可达165°，滚动角为3． 8°，呈现出类似“荷叶效应”的超疏水性能。

2) 防冰性能测试结果表明，在初期阶段，超疏水涂层能明显降低覆冰的增长速率，具有一定的防冰效果。

［参考文献］：略

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