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低表面能含氟乳液的制备及超疏水表面构建

银雪  
【摘要】:超疏水表面是一类水接触角大于150°的极其疏水的表面。超疏水表面因为独特的润湿性质使其在防雾防冰、自清洁、防腐蚀、抗污染等领域里具有突出的应用优势。降低表面能和增大粗糙度是最主要的构建超疏水表面的方法。低表面能的含氟乳液通过简单的乳液聚合制备而成,是常用的降低表面能以增大材料表面疏水效果的有效方式。但是含氟乳液中含有大量的两亲性乳化剂,乳化剂中的亲水基团会残留在乳液涂层中,大大降低涂层的疏水性。针对传统的含氟乳液氟含量低、亲水基团较大、涂层疏水性不足等问题,本论文基于对乳化剂的分子设计和荷电性的选择,系统研究乳化剂对乳液聚合稳定性和疏水效果的影响,并采用后续反应对亲水基团加成交联消除其亲水影响,以期通过简单的乳液涂覆处理构建超疏水表面。本文首先以全氟己基乙基丙烯酸酯(PFHEA)为疏水单体,甲基丙烯酸甲酯(MMA)为共聚单体,2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为亲水单体,利用溶液自由基聚合合成两亲性大分子含氟乳化剂P(PFHEA-co-MMA-co-AMPS)。以此大分子乳化剂乳化PFHEA、MMA及甲基丙烯酸丁酯(BMA)并进行乳液聚合,并研究不同亲疏水组分配比对乳液聚合的稳定性、聚合物组成及疏水性能的影响。当AMPS组分含量为20.2 wt%时,合成的基于大分子乳化剂的含氟乳液不仅乳液稳定性高,氟含量高,且亲水组分含量极少,远小于采用传统乳化剂的含氟乳液,得到的乳液烘干乳胶膜表面能极低,只有9.8mN/m。甲醚化三聚氰胺类交联剂反应活性较高,可与羟基、磺酸基发生交联反应形成疏水交联网络。本文基于此交联反应,首次利用磺酸基的大分子含氟乳化剂乳化进而聚合的含氟乳液和以甲醚化六羟甲基三聚氰胺为主要成分的交联剂对高孔隙率的玻璃纤维无纺布及羊毛无纺布毡进行浸涂-退火改性,可以简单有效的得到超疏水表面。通过对不同乳化剂浓度的含氟乳液对比发现,当大分子乳化剂浓度为1.2 wt%时,制得的乳液粒径仅为87.5 nm,且具有最高的稳定性和最低的表面能(10.7mN/m),是最为适合的乳化剂浓度。随后加入的交联剂可与乳化剂中的磺酸基团和底膜纤维上的羟基反应,在涂层和底膜间形成稳定的疏水交联网络。此疏水交联网络不仅增大聚合物与底膜的结合力从而提高含氟乳液涂层的长期稳定性,而且限制乳化剂中亲水基团的迁移,致使改性后纤维接触角高达151.4°,滚动角仅为3.9°,进一步提高涂层的自清洁性、抗污染性,且在油水分离领域内具有突出的应用优势。阳离子型乳化剂多为强荷电的季铵盐型乳化剂,亲水性较强且无法反应转化,进而无法得到超低表面能乳液涂层。本文首次采用具有高反应活性的两亲性长脂肪族类伯胺——十八胺作为乳化剂,在质子化的情况下乳化PFHEA、MMA和BMA进行乳液聚合,成功得到稳定且氟含量高的弱阳离子型含氟丙烯酸酯乳液。乳液中仅含有一种亲水的伯胺基团,后续采用迈克尔加成反应在伯胺上加成PFHEA,将亲水基团转化为疏水的含氟侧基,反应效率在70%以上。加成反应不仅增大了表面疏水基团的含量,同时极大的降低了亲水基团的含量,氟化加成后乳液涂层的表面能低至10.78mN/m,在粗糙的玻璃纤维上涂覆-退火处理可以得到水接触角超过150°,滚动角仅为4.7°的超疏水表面。由于迈克尔加成反应的可选择性和可设计性,选用不同疏水侧基的丙烯酸酯进行加成反应,涂覆的玻璃纤维膜片的接触角均有大幅提升,且滚动角均在10°以下。通过分子设计还可在涂层内引入其他官能团,拓宽含氟涂层的应用领域。硅烷偶联剂能在温和的条件下水解缩合形成交联网络,是常用的交联粘结剂。本文基于合成的含伯胺基团的弱阳离子型含氟丙烯酸酯乳液,加入3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)利用迈克尔加成反应在乳液涂层中引入硅氧烷基团,然后利用硅氧烷的水解缩合构建超疏水的含氟硅交联涂层。当硅烷偶联剂浓度为10 wt%时,乳化剂中亲水的伯胺基团和底膜纤维上的羟基基团被分别加成和交联转化成疏水的硅氧烷交联网络,致使不同的纤维水接触角都超过150°,达到了超疏水状态。由于MPTMS的引入和交联反应,在乳液-纤维间形成了更加粗糙且均匀的交联网络,涂层具有优异的酸碱稳定性、耐磨损性和防污性能。除此之外,与底膜化学键连接的涂层赋予改性之后的棉布纤维突出的耐洗性能,增大了含氟硅交联涂层的应用范围。


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