聚二甲基硅氧烷/MCM-41 超疏水涂層的制備與性能研究

由于超疏水涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的特點如防冰性、耐油水分離性、防霧性、自清潔性、防污性、減阻性等，從而受到了研究者們的廣泛關注。制備超疏水涂層的方案主要有2種：（1）對疏水表面進行粗糙化處理；（2）引入低表面能材料對粗糙表面進行疏水改性。

采用方案（1）對疏水表面進行粗糙化處理的方法有：靜電紡絲法、化學氣相沉積法（CVD）、等離子刻蝕、溶膠-凝膠法、光刻法等。然而，以上方法存在如設備成本昂貴、工藝復雜、對操作技術要求較高等缺點。

為了克服上述問題，研究者們通常采用方案（2）即引入低表面能材料對粗糙表面進行疏水改性，通常采用化學改性如接枝的方法引入有機硅或有機氟官能團，使其與二氧化硅納米顆粒（SiO2 NPs）通過化學鍵進行結合，得到具有疏水功能的SiO2 NPs，隨后通過樹脂基體、化學吸附或物理吸附使功能化的SiO2 NPs與基體牢牢結合形成超疏水涂層。Tian等通過引入1H，1H，2H，2H-全氟十二烷基三乙氧基硅烷（PFDTES）對SiO2 NPs進行改性，通過官能團接枝實現(xiàn)化學結合，但是此方法引入了氟化官能團，可能會對環(huán)境造成污染，且采用了較為復雜的化學接枝方法，制備工藝較為繁瑣。Sun等采用兩步法對SiO2 NPs進行疏水改性，首先用乙烯基三乙氧基硅烷（VTEOS）對SiO2 NPs進行改性，隨后使硅烷改性的SiO2 NPs和苯乙烯（St）進行反應，使St上的一些疏水官能團接枝到SiO2 NPs顆粒上實現(xiàn)疏水改性。然而，此方法較為繁瑣（需要兩步改性），不適合批量生產(chǎn)及大規(guī)模應用。Seyfi等采用了簡單的噴涂法制備了彈性聚氨酯（TPU）/改性的SiO2 NPs超疏水涂層，但是也引入了較為復雜的接枝方法，所制備的涂層力學性能較差且需要高溫固化，對能源形成了浪費。Wang 等設計了一種改善超疏水涂層耐磨性的方案，通過引入硅氧烷單體將SiO2 NPs進行包覆，形成復雜網(wǎng)狀顆粒結構實現(xiàn)對SiO2 NPs的疏水化改性，之后將其與聚甲基氫硅氧烷（PMHS）混合制備超疏水涂層，該涂層可以耐150周期的磨損試驗和500次膠帶剝離試驗。然而此方法依然采用了接枝的方法對SiO2 NPs進行改性，且需要高溫固化。通過上述研究可以看出，普通的SiO2（無孔SiO2）的改性方法僅限于化學接枝法。

基于無孔SiO2改性的局限性，本研究引入了介孔SiO2納米顆粒（MCM-41）。MCM-41具有比表面積大（900 m2/g）、內(nèi)部多孔結構（孔徑2~20 nm）的特點，在催化劑載體、生命醫(yī)學、載藥等方面已得到應用，但在超疏水方面鮮有應用。

本研究提出了一個簡單易行且可大規(guī)模應用的制備超疏水涂層的方法：首先，利用MCM-41內(nèi)部多孔結構、極大的比表面積（>900 m2/g）及強吸附性等特點，采用真空負壓法將低表面能的PDMS載入MCM-41中，制得疏水改性的MCM-41（MCM-41/PDMS）；隨后，使用共混法將MCM-41/PDMS、環(huán)氧樹脂、固化劑和稀釋劑進行混合制得超疏水涂料；后，采用簡單的噴涂法將涂料噴涂在基底表面形成環(huán)氧/聚二甲基硅氧烷/MCM-41超疏水涂層。此外，通過調(diào)整MCM-41/PDMS和環(huán)氧樹脂的配比，得到了的疏水性和附著力的佳平衡，并對該配方下的超疏水涂層進行機械耐久性測試如耐膠帶剝離測試和耐磨性測試。