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苯并噁嗪基亲疏水可逆涂层的制备及性能研究

【摘要】:亲疏水润湿性可逆的表面智能材料因为其灵活的开关特性、远程控制等优点受到了学术界和工业界的广泛关注。这些智能材料表面多具有独特的微-纳结构,存在质脆等问题。因此,制备耐磨性好、附着力强的亲疏水可逆材料具有明显的实际意义。本文采用具有低表面自由能、非氟非硅的双酚A-苯胺型苯并噁嗪(BA-a)、热固性脂环族环氧树脂(EP)、热塑性丙烯酸树脂(PAA)和刚性的介孔材料(TiO2mes)为研究对象,通过原位聚合形成耐磨性良好、附着力强的有机/无机共混体系,并且利用TiO2对紫外光辐照的独特响应,制备出亲疏水性能可逆的聚合物介孔复合涂层。本文主要研究内容和结论如下:1.将不同比例的介孔TiO2添加到BA-a与EP共混的丙酮溶液中,采用喷涂法成膜,通过紫外辐照(UV)和热处理,形成表面亲水性和疏水性可以转化的智能涂层。采用SEM、XPS和FT-IR手段,对智能涂层表面形貌、元素组成、化学结构等进行了分析,阐明了表面润湿性发生可逆变化的机理。采用实验室自制的耐磨性测试方法对涂层的耐磨性进行表征,结果表明,在2.5 MPa的压力下用SiC砂纸(240目)磨损400 cm后智能涂层仍保留了疏水性,其耐磨损距离是PBA-a/TiO2mes(BTmes)涂层和EP/TiO2mes(ETmes)涂层的两倍,具有出色的机械强度。进一步探索该智能涂层在油水分离方面的应用,结果表明,本文中设计的智能涂层可形成具有润湿性可逆的油水分离膜,经过五个以上的循环再利用后,分离通量均保持在3000 L·m-2·h-1以上,峰值最大可达到3318 L·m-2·h-1。机械性能测试结果表明,介孔TiO2含量为30%的智能涂层综合性能较好,表面附着力、铅笔硬度、冲击强度值分别为4B、3H和2.94 J,但是机械性能总体显示较差,这与两种热固性树脂(PBA-a、EP)共混,脆性较大有关。防腐蚀实验结果表明,该智能涂层具有一定的耐碱和耐盐腐蚀性能,且随着无机刚性粒子TiO2含量的增大而提升;而耐酸腐蚀性能比较差,这可能与脂环族环氧树脂中含有的酯基有关。2.将不同比例的介孔TiO2添加到PBA-a与PAA共混的丙酮溶液中,喷涂成膜,同样,通过UV和热处理,形成表面亲水性和疏水性可以转换的智能涂层。采用SEM、FT-IR手段,对智能涂层的表面形貌、化学结构进行了研究,并阐明了表面润湿性发生变化的机理。磨损试验结果表明,在2.5 MPa的压力下磨损400 cm后,智能涂层的表面接触角没有发生明显变化,磨损距离接近于BTmes涂层的两倍,具有良好的抗磨损性能。为了进一步研究智能涂层的韧性,本文对其机械性能进行了测试,结果表明,智能涂层的表面附着力、铅笔硬度、冲击强度值分别达到5B、6H和9.80 J,韧性得到提升,机械性能总体优于前一个体系(PBA-a、EP和介孔TiO2),这与柔性热塑性树脂PAA的引入有关。耐化学腐蚀实验结果表明,该智能涂层的耐酸、耐碱和耐盐腐蚀性能均表现良好,TiO2含量在10%-30%之间时,腐蚀性能随着其含量的增大而提升。电化学腐蚀实验结果表明,智能涂层具有一定的抗腐蚀性能,TiO2含量为40%时性能最佳,腐蚀电压、腐蚀电流密度和电荷转移电阻分别为-0.53 V、9.62×10-8A/cm2和11.840 MΩ/cm2。

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