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含氟聚氨酯超疏水涂層表面性能、化學穩定性、耐摩擦性能研究——摘要、實驗部分
來源：聚氨酯工業 瀏覽 651 次 發布時間:2025-06-03
在自然界中存在著各種超疏水表面，例如植物葉子、昆蟲翅膀和腿等，經過分析都歸因于粗糙的表面結構(微/納米級分層結構)和低表面能物質的組合。純粹的無機粒子微納米粗糙結構在受到外界機械摩擦時存在容易被磨耗損壞的缺陷。因此，具有優秀耐磨性的聚氨酯材料與微納米結構相結合制備的超疏水涂層受到了重視。Li等通過將聚氨酯溶液和十六烷基三甲氧基硅烷改性的SiO2懸浮液依次噴涂在載玻片上制備了耐磨性優異的超疏水表面。Huang等用自制具有低表面能的SiO2納米顆粒與甲基硅樹脂相互摻雜，得到了具有優良附著力及較好機械耐磨性的超疏水涂層。
本研究采用自制的含氟聚氨酯(FPU)薄涂在微納米SiO2/環氧樹脂基板表面制得超疏涂層，并對超疏涂層的耐化學性能和耐摩擦性能等進行了研究。
1實驗部分
1.1主要原料及預處理
異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，國藥集團化學試劑有限公司;全氟己基乙基醇(TEOH-6)，遼寧恒通阜新氟化學有限公司;三羥甲基丙烷(TMP)，上海凌峰化學試劑有限公司;聚四氫呋喃二醇(PTMG-1000)、1，4-丁二醇(BDO)、丙二醇甲醚、乙酸丁酯，上海麥克林生化科技有限公司。以上均為分析純。除IPDI以外其他原料在使用前需進行脫水處理。
二氧化硅SD-520L，平均粒徑1.3μm，北京航天賽德科技有限公司;二氧化硅(白炭黑)，平均粒徑300 nm，通化雙龍集團化工有限公司;二氧化硅M-5，平均團聚粒徑60 nm，卡博特化工有限公司;環氧樹脂E44，山東優索化工科技有限公司;聚酰胺類環氧樹脂固化劑651，中國林業科學研究院林產化學工業研究所提供。
1.2含氟聚氨酯的合成與超疏涂層的制備
將PTMG-1000(7.0 g，7 mmol)和TMP(0.94 g，7 mmol)加入到充滿氮氣、帶有機械攪拌裝置的三口燒瓶中。滴加IPDI(9.33 g，42 mmol)，85℃反應2 h，反應過程中加入乙酸丁酯調節體系黏度。降溫至75℃滴加BDO(1.26 g，14 mmol)，反應2 h。最后滴加TEOH-6(7.71 g，21 mmol)，反應2.5 h。加入丙二醇甲醚得到固含量為40%、固體分中氟質量分數為19.8%的FPU乙酸丁酯溶液。
涂覆前，玻璃板(25.4 mm×76.2 mm)放入丙酮中超聲清洗，后用乙醇和蒸餾水沖洗，干燥備用。
將1.80 g二氧化硅SD-520L和1.48 g E44加入到30 g無水乙醇/乙酸乙酯/乙二醇丁醚(5∶3∶2，質量比，下同)混合溶劑中，在室溫條件下攪拌超聲分散各30 min，然后加入0.92 g環氧樹脂固化劑聚酰胺651，繼續攪拌10 min，得到A懸浮液。在玻璃板上滴涂薄涂A懸浮液，表干后110℃固化30 min。共薄涂3層，制得基板A。
將0.68 g白炭黑、0.23 g二氧化硅M-5和0.83 g E44加入到30 g無水乙醇/乙酸乙酯/乙二醇丁醚(5∶3∶2)混合溶劑中，室溫下攪拌30 min，超聲分散30 min，然后加入0.52 g聚酰胺651，繼續攪拌10 min，得到B懸浮液。在基板A上滴涂B懸浮液，表干后110℃固化30 min。共滴涂薄涂3層，制得微納米SiO2/環氧樹脂復合基板。
取適量FPU溶液用乙酸丁酯/丙二醇甲醚(1∶1)混合溶劑稀釋，得到FPU質量分數7.5%的稀溶液并將其涂覆在微納米基板上，表干之后放入70℃烘箱中烘4 h得到超疏水涂層樣片。
1.3分析與測試
采用傅立葉紅外光譜儀進行紅外光譜(FI-IR)分析;采用熱重分析儀進行熱失重分析，N2氣氛，加熱速率10 K/min，測試范圍25～550℃;采用表面張力儀進行水接觸角分析;采用場發射掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對超疏涂層的表面形貌進行分析;采用ESCALAB型X射線光電子能譜分析儀(XPS)對超疏涂層表面成分進行分析;鉛筆硬度按照GB/T 9286—1998標準測試;附著力按照GB/T 6739—1996標準測試。
FPU薄膜的制備:將FPU溶液涂在玻璃板上，在室溫下表干后放入溫度75℃烘箱中烘3 h，用于測試鉛筆硬度、水接觸角和附著力;將FPU溶液倒入特氟隆板上，室溫表干后放入溫度75℃真空烘箱烘10 h，用于測試吸水率和熱穩定性。
吸水率測試:將FPU薄膜切成20 mm×10 mm×1 mm的形狀，用萬分之一天平稱重得到W0。將樣品浸入去離子水容器中，每隔12 h取出用濾紙將表面的水擦拭干凈，立即用萬分之一天平稱重得到W1。通過公式[(W1-W0)/W0]×100%計算吸水率。
化學穩定性測試:將試樣玻片分別浸入pH=1的酸性溶液、pH=14的堿性溶液、3.5%NaCl溶液、無水乙醇和二氯甲烷中。每24 h取出清洗、干燥，測試并記錄與水的接觸角和滾動角變化情況。
機械穩定性測試:將超疏涂層樣片放置于360目砂紙上并在100 g的砝碼負重的條件下，將超疏涂層樣片縱向和橫向分別移動10 cm，該過程定義為1個回合。每個回合后，測量并記錄表面與水的靜態接觸角和滾動角。