海泡石基多功能超浸润复合涂层制备及性能研究

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受自然界超浸润现象启发,超浸润表面自被发现以来就备受人们关注,其独特的润湿性能在纺织品防水、建筑表面自清洁、管道流体减阻、油-水分离等日常生活和工业生产等领域有着广阔的发展前景。目前,已有许多研究者制备了多种超疏水、超亲水、超疏油、超亲油、超亲水/水下超疏油等具有超浸润表面的材料。但是现存的超浸润材料普遍存在原料的价格昂贵、制备过程复杂以及机械稳定性差等缺点。海泡石(Sepiolite,简写SEP)作为天然的粘土矿,成本低廉,且有比表面积大、表面含有丰富的羟基等特点,使其可以用于制备超浸润功能材料。然而,遗憾的是,目前关于海泡石在超浸润材料领域的研究相对较少。基于此,本论文以低成本的海泡石为对象,对其表面改性,并通过操作简便的喷涂法,构筑了具有良好化学和机械稳定性的超疏水、超疏水/超疏油、超亲水/超疏油等海泡石基多功能超浸润复合涂层,并系统研究了改性海泡石的表面化学组成及微观结构变化以及相应复合涂层的自清洁、防腐蚀、油-水分离等性能,并明确了相关的微观机制。具体如下:(1)利用十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)和正硅酸四乙酯(TEOS)水解缩合,在海泡石表面修饰低表面能的聚硅氧烷(POS),并以改性海泡石(Sepiolite@POS)和环氧树脂(EP)为主要原料,通过喷涂工艺,制备Sepiolite@POS/EP超疏水复合涂层。研究表明,POS改性的海泡石,具有良好的超疏水性能。当Sepiolite@POS与EP质量比为7:5时,相应涂层展现出优异的超疏水性、良好的化学稳定性、机械稳定性以及自清洁等性能,其接触角(CA)大于160°,滚动角(SA)小于5°,这主要归因于Sepiolite@POS赋予涂层的低表面能以及层层喷涂构筑的微纳米粗糙表面结构。而且该涂层可成功构筑在木块、钢片、A4纸等基材表面,使其具有良好的超疏水性。此外,将三聚氰胺海绵浸入Sepiolite@POS与EP的混合液,赋予了三聚氰胺海绵超疏水超亲油性能,可以实现水中油污的快速去除。该研究证实了具有良好超疏水性能的Sepiolite@POS/EP复合涂层可以用于保护多种基底材料,使其表面清洁,同时也可用于油-水分离等领域。(2)利用海泡石对阳离子染料(罗丹明B,RB)的吸附性,对其进行染色处理,之后通过十六烷基三乙氧基硅烷(HDTES)与TEOS水解缩合反应,在染色海泡石(SEP-RB)表面形成POS,得到具有超疏水性的染色海泡石(SEP-RB@POS),并与EP按比例混合喷涂制备染色SEP-RB@POS/EP超疏水复合涂层。研究表明,该染色涂层具有突出的超疏水性、自清洁能力等。经过改性后的SEP-RB@POS/EP复合涂层对强酸、强碱腐蚀性溶液具有良好的疏水性,并且通过浸泡试验后,仍然不褪色,展现出良好的化学稳定性。这说明超疏水改性可以很好地保护复合涂层颜色,大大减缓涂层因酸、碱腐蚀而出现的褪色,从而提高染色涂层的使用寿命。同时,该染色涂层再经过50次胶带粘贴试验后,仍保持良好的超疏水性,这说明该染色涂层具有良好的机械稳定性。(3)利用全氟辛基三氯硅烷(PFOTS)和TEOS水解缩合形成氟化聚硅氧烷(FPOS)对海泡石(SEP)改性,制备SEP@FPOS,并与EP混合经过喷涂工艺,获得超疏水超疏油SEP@FPOS/EP复合涂层。研究表明,该复合涂层对水和油都有很好的排斥性,即使是表面能仅为27 mN·m-1的葵花籽油在涂层表面也呈现出152.8°的接触角。该复合涂层在酸碱溶液浸泡、长时间的紫外光照以及低温等苛刻环境,仍能保持良好的超疏水超疏油性。同时,该复合涂层可以经受住100 g的落砂冲击,展现良好的机械稳定性。(4)利用聚二烯丙基二甲基铵盐酸盐(PDDA)与全氟辛酸钠(SPFO)反应生成PDDA-PFO对海泡石(SEP)改性,制备SEP@PDDA-PFO,PDDA-PFO为SEP表面提供了亲水基团和疏油基团,使形成的SEP@PDDA-PFO/EP复合涂层具有良好的超亲水超疏油性。水在该涂层表面的CA小于5°,而油的CA大于150°。同时,该复合涂层机械稳定性良好,被水润湿之后不会因为摩擦而破坏。这是由于具有高粘附性的EP在涂层固化成型过程中形成坚实的骨架,提高涂层与基体粘结性,避免摩擦过程中SEP@PDDA-PFO的脱落。此外,将SEP@PDDA-PFO/EP喷涂在不锈钢网表面,赋予了不锈钢网超亲水超疏油性,成功实现了油-水分离。本研究有望解决传统亲油疏水分离材料面临的易污染、难回收等难题。
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