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随着膜结构的广泛应用,人们对膜材的性能要求越来越高,制备功能化、智能化的膜材是膜材发展的必然趋势。膜材大多用作大型建筑的屋顶材料,被空气中的污染物沾污后,不易进行清洗和维护。若能制备出具有防污自洁功能的膜材,在使用过程中依靠风力或雨水冲刷就能保持自洁,不仅可使膜材美观、透光性好,而且可大大节省建筑膜材表面的清洗和维护工作。目前国内防污自洁处理剂还主要依赖于进口,研制出具有良好防污自洁功能的PVDF面层的PVC膜材,对打破国外的技术封锁,促进该类膜材在我国的开发和应用具有很重要的学术意义和商业价值。
本研究基于“荷叶效应”原理,采用PVDF溶液涂层法制备出表面具有微米结构的PVDF膜。利用等离子体、碱液、碱/醇溶液对PVDF膜进行亲水改性,然后再在其上沉积烷基氯硅烷,可制备出表面具有微米-纳米双重结构的PVDF膜。
首先仿效荷叶表面的微米乳突形状探索了PVDF膜的制备工艺,找出最佳制膜工艺如下:将质量浓度为5%的PVDF粉体溶解于DMF溶液中,搅拌均匀后涂在玻璃板上,在90℃条件下烘干。该方法制备的PVDF膜由直径约为7.5μm的光滑微球构成,微球高度约为5μm,微球间距为4μm。
经微波或辉光氧等离子体处理后PVDF膜表面与水的接触角显著降低。选用甲基三氯硅烷为沉积浴,用微波氧等离子体加强化学浴沉积和化学气相沉积的方法制备的PVDF膜表面接触角分别为156.6°和155°,滚动角均为4.3°。采用二甲基二氯硅烷和甲基三氯硅烷的混合溶液为沉积浴,用辉光氧等离子体加强化学浴沉积和化学气相沉积制得的PVDF膜表面接触角分别为155°和148°,滚动角分别为2°和4°。
NaOH溶液、KOH/乙醇溶液对PVDF膜进行亲水改性,均能显著降低膜表面的接触角,且不影响PVDF膜本身的厚度和拉伸强力。NaOH辅助化学浴沉积制得PVDF膜表面接触角为157°、滚动角<1°;KOH/乙醇辅助化学浴沉积制得PVDF膜表面接触角为154°、滚动角为4°;人工加速老化试验表明该两种方法制得的PVDF膜表面都具有良好的耐候性能,KOH/乙醇辅助化学浴沉积制得的PVDF膜透光性较好。
为了将具有防污自性性能的PVDF膜用作PVC膜材面层,在空气湿度为40%的条件下,将80℃的聚氨酯胶粘剂均匀涂布在PVC膜材上,涂布厚度0.192mm,然后将化学浴沉积制备的超疏水PVDF膜层压在PVC膜材上,常温固化5h,获得的PVDF/PVC膜材具有较高的粘结强度,且层压过程未影响PVDF膜的接触角。
PVDF膜粗糙结构中的微米结构对膜表面的疏水自洁起到两种作用:一是可在液滴和膜之间形成气垫;二是可使膜表面的纳米结构呈不同高度排列,促使三相接触线呈不连续状,减小接触角滞后。创建纳米结构模型,研究了粗糙参数,m(d/r)、n(h/r)和润湿比例k(h1/0.5h)对液滴在粗糙表面润湿性能的影响,推导出了含有粗糙参数的Wenzel和Cassie润湿方程:
最后初步探索了利用飞秒激光制备具有微米粗糙结构的金属模板,再在其上涂覆PVDF溶液制膜,可得到具有微米结构的PVDF膜表面,膜表面的接触角为122°。在今后的研究中,可继续研究利用微米-纳米金属模板制备超疏水PVDF膜的可行性。