硅橡胶表面超疏水结构的设计与构筑

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超疏水材料来自于对自然的仿生研究,在防污,减毒,防冰等领域中具有很大的潜力。而优异超疏水性和良好的机械稳定性往往难以兼顾,制造稳固、耐久的超疏水材料目前仍然具有巨大挑战性。本论文以硫化的硅橡胶为基材,利用硫化硅橡胶易溶胀的特点,基于界面扩散反应和溶胶-凝胶技术,在硅橡胶表面原位生成无机纳米颗粒以构筑粗糙结构,系统研究了制备工艺对表面形貌、超疏水性能及超疏水性能的稳定性,并对超疏水硅橡胶的排水性、自清洁性等性能进行了研究。首先以正丁胺的水溶液作为橡胶溶胀剂,以钛酸四丁酯(TBT)为溶胶-凝胶反应的前驱体,通过溶胶-凝胶法在硫化硅橡胶(SR)表面“原位生长”构筑TiO2粗糙结构,经硬脂酸(SA)表面修饰后,接触角(CA)达到158.5°,滚动角(RA)为4.5°。扫描电子显微镜(SEM)显示,试样表面由单层纳米级球状TiO2颗粒组成,且TiO2颗粒“嵌入”橡胶表层而不是吸附。通过在砂纸上线性磨损的方式来表征耐机械稳定性,可承受100次循环磨损而保持超疏水特性。通过构建微纳米复合结构,是提升超疏水稳定性的一种方式。在橡胶混炼时加入聚丙烯酰胺(PAM),基于PAM与硅橡胶相容性差且会逐渐析出到橡胶表面的特点,通过上述溶胶-凝胶法制备粗糙结构,硫化橡胶表面PAM颗粒被TiO2颗粒包覆,构建TiO2/PAM微纳米复合结构。砂纸线性磨损实验证明TiO2/PAM微纳米复合结构超疏水材料可承受200次循环磨损而保持超疏水特性。为了进一步提升稳定性,在硅橡胶混炼时添加硅烷偶联剂双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物(Si-69)或γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550),拟通过化学键合链接TiO2颗粒与SR基体分子链。加入1phr Si-69或KH550分别使超疏水硅橡胶可承受磨损循环分别达到3200次以及600次,超疏水试样表现出优异的机械耐磨性能。最后,基于透明硅橡胶(PDMS),通过控制溶胶-凝胶反应时间与温度,制备单层粗糙结构,得到接触角达到159.3°滚动角为4.9°透明超疏水硅橡胶。通过溶胶-凝胶法制备在硫化橡胶表面构筑超疏水结构简单、可控及超疏水机械耐久性优良,为超疏水材料的工业化应用提供新思路。
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