有机硅防沾污涂层材料制备与性能研究

作     者：张鸿渐 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘娅莉

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：有机硅 铝合金 防腐蚀 防结冰 UV防沾污涂层 防涂鸦 

摘      要：低表面能的防沾污涂层材料对水性和油性污渍均具备强烈排斥性,可在基材表面实现自清洁、防涂鸦、防腐蚀、防结冰等特性,在交通运输、建筑玻璃、医疗器械、消费电子、工程防护等领域具有广阔的应用前景。本论文采用低成本安全无毒的有机硅材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）代替价格昂贵,具有生物毒性的含氟物质,制备了平滑的防沾污涂层,主要包括以下两部分内容: （1）铝合金表面有机硅注液多孔滑动表面的构筑与性能研究。铝合金具有强度高,比重轻等特点,是飞机、汽车结构轻量化的重要材料。但铝合金的腐蚀及表面冰霜的形成和堆积会导致巨大的经济损失,甚至是灾难性的后果。本文设计了在阳极氧化铝表面构建注液光滑多孔表面（SLIPS）的策略,旨在有效提升铝合金的防腐蚀、防结冰、抗沾污性能。植酸（PA）部分封闭的阳极氧化铝（AAO-PA）多孔结构用于储存和吸附乙烯基封端二甲基聚硅氧烷（Vi-PDMS）润滑液,经巯基硅烷偶联剂KH-590改性后（AAO-PA-SH）,Vi-PDMS链段两端的乙烯基在紫外光的作用下与AAO-PA-SH表面的巯基发生点击反应,通过共价键连接形成了稳定Vi-PDMS链段。采用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X-射线能谱（EDS）和X射线光电子能谱分析（XPS）表征了涂层制备过程中材料表面的微观形貌和元素组成的变化,证实植酸和巯基硅烷偶联剂在阳极氧化铝上形成了转化膜。该转化膜可部分封闭多孔结构并引入巯基活性官能团。AAO-SLIPS具有良好的疏水性能,其表面的水接触角约为101°,当基材倾斜8°时,表面的液滴即可快速从表面滑落。与未经UV引发进行巯基-烯点击反应的对照组相比,AAO-SLIPS的耐久性有了明显提升。浸泡21 days后,AAO-SLIPS的疏水性能保持稳定,而未形成共价键的对照组疏水性能则明显下降。采用动态电位极化测试（Tafel）和电化学阻抗光谱（EIS）研究了AAO-SLIPS在3.5 wt%Na Cl溶液中对铝合金的防腐蚀性能。灌注并接枝润滑液后,涂层的腐蚀电流密度(Icorr)从AAO-PA的1.616×10-7 A·cm-2下降到3.519×10-8 A·cm-2,而低频区阻抗值(|Z|0.0 1 H z)则由2.4×10～5Ω·cm2增大到3.19×10～6Ω·cm2,表现出更好的防护性能。Vi-PDMS链段运动能力赋予AAO-S LIP S涂层一定的自修复性能,其表面的损伤及相应防腐蚀性能的下降可以通过Vi-P DMS链段的迁移在室温下恢复。防结冰测试表明,AAO-SLIPS在低温条件下能有效抑制冷凝液滴的生成,降低液滴的凝结速率进而抑制铝合金表面结霜并降低冰在涂层表面的附着力。结合物理吸附和共价键的作用力,提升了Vi-PDMS在SLIPS涂层表面的稳定性,该方法可普遍用于解决因润滑液流失导致SLIPS涂层在服役过程中防护性能下降的问题。 （2）紫外光固化PDMS改性聚氨酯丙烯酸防沾污涂层的制备与性能研究。以聚己内酯多元醇（PCL）、异氟尔酮二异氰酸酯（IPDI）、甲基丙烯酸羟丙酯（HPMA）、羟基封端聚二甲基硅氧烷（PDMS）、三羟甲基丙烷（TMP）和1,3,5-三（2-羟乙基）氰尿酸（THEIC）等为原料,合成了PUA预聚物。并加入三官能度活性稀释剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）调节光固化涂膜的交联密度,制备出了一种UV固化的PDMS改性防沾污聚氨酯丙烯酸涂层。涂层可在30 s内实现室温快速光固化,缩短了固化时间和能耗,避免了高温热固化对基材造成的影响。研究了涂层表面能、交联密度和不同多元醇扩链剂对涂层润湿性及防沾污等性能的影响。结果表明,当PDMS和TMPTA的用量分别为13-18 wt.%和25-35 wt.%时,涂层的表面能低于25.9 m J·m-1,对各类水性和油性的污染物均有优异的排斥性并具备良好的力学性能。这是因为与PDMS相似相溶的油性液体污染物能溶胀防沾污涂层表面的PDMS链段,降低液滴污渍在涂层表面的滑动摩擦力,故油性液滴在PDMS链段富集的PUA涂膜表面比水性液体具有更低的滚动角。本章还重点考察了以THEIC替换部分TMP作为多元醇扩链剂对PUA涂层防沾污性能的影响。在PDMS含量相同的情况下,随着THEIC的用量增加,涂层的憎水性和防涂鸦性能提升,XPS测试结果表明涂层表面的有机硅含量提升。该涂层可实现防涂鸦、自清洁等效果,同时表现出高透明度和优异的热稳定性、化学稳定性和耐黄变性能。