氧化鋅/聚苯乙烯超疏水複合塗層的製備及其性能

2020-12-20 慧聰網

    慧聰表面處理網訊：【作者：青勇權，鄭燕升，胡傳波，王勇，龔勇，何易，莫倩】

    超疏水表面具有低的表面自由能和很好的抗粘附性能，在防水、防汙染、抗氧化、防腐蝕和流體減阻等方面有良好的應用前景[1-2]。目前，其製備方法主要有溶膠–凝膠法[3]、相分離法[4]、自組裝法[5]、刻蝕法[6]、模板法[7]等。

    自從有機/無機複合材料問世以來，其獨特的性能就引起了人們越來越多的關注。在無機納米粒子/聚合物塗層體系中，用納米粒子作為填充物，不但可以構造微/納米超疏水表面的粗糙結構，還可以利用納米粒子本身的特殊性質，賦予超疏水表面功能性，拓寬超疏水表面的應用領域。安秋鳳等[8]用金紅石型納米TiO2和氟樹脂製備了氟碳塗料，採用刷塗法於鐵片表面構築了超疏水複合塗層，表現出優異的耐水、耐酸鹼、耐洗刷、耐沾汙及自清潔性能。Xu等[9]用全氟辛酸銨改性的TiO2粒子與聚苯乙烯進行雜化，通過噴塗法在銅基體表面製得超疏水納米複合材料，其接觸角達到180°。Wang等[10]用γ−(2,3−環氧丙氧)丙基三甲氧基矽烷改性的SiO2和聚苯乙烯(PS)雜化，通過細乳液聚合法在玻璃表面製備出具有草莓結構的超疏水表面，表現出高的附著力。

    本文通過十二氟庚基丙基三甲氧基矽烷改性的氧化鋅與低表面能物質PS雜化，在鋼片上固化製得超疏水塗層，並對塗層的疏水機理和性能進行了研究。

    1 實驗

    1.1試劑與儀器

    ZnCl2，分析純，天津市致遠化學試劑有限公司；聚苯乙烯(PS)，江蘇萊頓寶富塑化有限公司；十二氟庚基丙基三甲氧基矽烷，哈爾濱雪佳氟矽化學有限公司；十二烷基磺酸鈉，化學純，汕頭市光華化學廠；γ−氨丙基三乙氧基矽烷(KH-550)，分析純，南京曙光化工集團有限公司；無水乙醇，分析純，天津博迪化工股份有限公司；去離子水，實驗室自製。

    SL200B接觸角測定儀，上海梭倫公司；VEGA3EasyProbe掃描電子顯微鏡(SEM)，捷克TESCAN；Nicolet380傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)儀，美國ThermoFisher公司；DX-2700X射線衍射儀(XRD)，上海精密儀器儀表有限公司；NiComp380ZLS雷射粒

    度分析儀，美國PSS公司；MV800數位照相機，三星；DF-101S熱式恆溫加熱攪拌器，上海精宏實驗設備有限公司；DHG-9123A熱恆溫鼓風乾燥箱，上海普渡生化科技有限公司。

    1.2ZnO粒子的製備

    將20g的氯化鋅(ZnCl2)和20g的氧氧化鈉(NaOH)溶解在60mL的去離子水中，在60°C下磁力攪拌12h，所得產物先用離心機離心過濾，然後用去離子水和無水乙醇分別清洗2次，並置於馬福爐中在600°C焙燒3h，冷卻後研磨，即獲得微納米分級結構ZnO產物粉末。

    1.3ZnO粒子表面的改性

    通過熱水反應過程對ZnO表面進行改性。將ZnO(7g)溶解在乙醇(10mL)、蒸餾水中，磁力均勻攪拌，然後向其中加入一定量的十二氟庚基丙基三甲氧基矽烷，將混合的懸浮液在70°C條件下攪拌6h。最後，將改性後的ZnO在100°C下烘乾、研磨待用。

    1.4超疏水塗層的製備

    在室溫下，將PS(3g)充分溶解在四氫呋喃(50mL)中待用。將一定量的蒸餾水、分散劑(十二烷基磺酸鈉)、催化劑(氨水)混合，慢速(70r/min)攪拌下達到一定黏度，然後向其中加入改性後的ZnO，分散至所需細度。隨後，緩慢加入一定量的PS乳液，並加入固化劑(KH-550)，在pH=5、40°C條件下磁力攪拌1h，得到白色均勻的改性ZnO/聚苯乙烯溶膠。最後，將表面處理乾淨的鋼片浸入到上述溶膠中，進行浸漬提拉鍍膜，提拉完畢的樣品在室溫下乾燥20~30min後，在160°C條件下烘烤25min，使塗層完全交聯固化，即得到ZnO/聚苯乙烯超疏水複合塗層。

    1.5性能測試及結構表徵

    (1)水接觸角和滾動角的測試：在室溫下，將4μL去離子水滴在已製得的複合塗層表面上，用接觸角測量儀測定水滴在塗層表面的靜態接觸角和滾動角，每個樣品取5個不同的點測試，取平均值作為最終的測量值。

    (2)附著力按GB/T9286–1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》測定；塗層硬度按GB/T6739–2006《色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》測定；衝擊強度按GB/T1732–1993《漆膜耐衝擊測定法》測定；塗層吸水率按照GB/T1738–1979《絕緣漆漆膜吸水率測定法》測試：在室溫下將製備的複合塗層放入去離子水中浸泡48h，取出後立即用濾紙吸乾塗層表面的水，稱量。

    按以下公式計算吸水率：吸水率(%)=(m2−m1)/m1。式中，m1為浸水前塗層質量，g；m2為浸水後塗層質量，g；結果取3次稱量的平均值。

    (3)結構表徵：在100°C將塗膜樣品烘乾後，用傅立葉紅外吸收光譜分析塗層表面官能團的情況，測試範圍在500~4000cm−1；用掃描電子顯微鏡觀察塗層的表面結構，掃描電壓為20kV；用X射線衍射儀對製備的ZnO粉末進行XRD測試；用雷射粒徑儀分析所製備ZnO粒子的粒徑分布。

責任編輯：鄭必佳

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