F-SiO2@PDMS超疏水涂层的制备及性能研究

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超疏水涂层因其特殊的非浸润性在众多领域展示了较好的应用潜能。纳米复合超疏水涂层是一类常见的超疏水涂层,其含有纳米材料(如SiO2、Al2O3、TiO2和ZnO等),导致涂层的耐久性差而限制其商业化。为此,本文以提高耐久性为切入点,设计一种高柔性的氟化二氧化硅(F-SiO2)@聚二甲基硅氧烷(PDMS)超疏水涂层,并开展相关基础理论与性能研究。论文的主要工作及结论如下:(1)采用两步喷涂法制备超疏水涂层,重点研究F-SiO2纳米颗粒的含量和粒径,以及PDMS的预固化时间对涂层润湿性的影响。结果表明,当F-SiO2纳米颗粒的粒径为20 nm,F-SiO2纳米颗粒的百分含量为0.88%,PDMS的预固化时间为10 min,获得了纳米颗粒与树脂结合较好的F-SiO2@PDMS超疏水涂层。(2)F-SiO2@PDMS超疏水涂层具有山峦状微观结构形貌和较小的水滴粘附力,展示了良好的超疏水性能。由于PDMS对F-SiO2的固定作用,F-SiO2@PDMS超疏水涂层经过5个磨损循环后,仍然保持较好的超疏水性能。同时,F-SiO2@PDMS超疏水涂层具有良好的柔韧性,在83.3%的延伸率下保持良好的斥水性能。另外,F-SiO2@PDMS超疏水涂层展示了优异的自清洁性能、防污性能和减阻性能。(3)不同pH值的液体在F-SiO2@PDMS超疏水涂层表面都保持良好的超疏水性能,且涂覆F-SiO2@PDMS超疏水涂层的铝片经过酸浸泡后,质量几乎未变化,表明了F-SiO2@PDMS超疏水涂层具有较好的防腐蚀性能。相比于纯铝和PDMS涂层,F-SiO2@PDMS超疏水涂层具有较小的腐蚀电流和较高的腐蚀电压。分子动力学模拟计算得出腐蚀粒子在F-SiO2@PDMS超疏水涂层中的扩散系数较小,粒子与F-SiO2@PDMS超疏水涂层的相互作用力弱,验证了F-SiO2@PDMS超疏水涂层优异的防腐蚀性能。(4)相比于纯铝和PDMS涂层,F-SiO2@PDMS超疏水涂层具有良好的低温动态斥水性能,撞击液滴在-10°C下的弹跳时间仅为11.6 s。F-SiO2@PDMS超疏水涂层具有优异的防冰性能,液滴在其表面的结冰时间达到276.2 s,分别是PDMS涂层和纯铝表面结冰时间的3.4倍和57.5倍,而且冰层与F-SiO2@PDMS超疏水涂层表面的粘附强度仅为26.3 kPa,比纯铝下降了96.8%。此外,F-SiO2@PDMS超疏水涂层具有良好的疏冰稳定性,经过30次结冰/除冰循环、人工雨水浸泡和冲刷,冰粘附强度仍小于100 kPa。
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