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含氟聚氨酯超疏水涂層表面性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐摩擦性能研究——結(jié)果與討論、結(jié)論
來源：聚氨酯工業(yè) 瀏覽 833 次 發(fā)布時(shí)間:2025-06-03
2結(jié)果與討論
2.1傅立葉紅外光譜表征
FPU的FT-IR分析結(jié)果如圖1所示。
圖1 FPU紅外特征圖譜
2.2 FPU薄膜的性能及熱性能
FPU薄膜的性能和熱分解溫度如表1所示。
表1 FPU薄膜的性能與熱分解溫度
由表1可見，含氟聚氨酯固化膜和玻璃基材之間的附著力達(dá)到0級，鉛筆硬度大于2H。FPU薄膜與水的靜態(tài)接觸角為106.4°，遠(yuǎn)高于不含氟的聚氨酯膜。本研究的FPU薄膜在浸泡24 h后吸水率趨于平衡，泡水200 h后吸水率不高于1.79%，遠(yuǎn)低于一般的聚氨酯的5%吸水率。歸因于C—F鏈段具有很低的表面張力，會自發(fā)地向表面遷移并富集，降低了表面張力，提高了材料的憎水性。除此之外，從表1中還可知FPU的T10和T50分別為237.8和329.2℃。與一般聚氨酯材料相比，F(xiàn)PU的熱穩(wěn)定性沒有很大程度的提升。
2.3超疏涂層的表面形貌分析
眾所周知，表面微結(jié)構(gòu)形貌在增強(qiáng)表面超疏性能方面起著重要作用。圖2是超疏涂層的SEM圖像，圖3是超疏涂層的AFM圖像。
圖2超疏涂層的SEM圖像
圖2a中能夠清楚地觀察到表面有1～2μm的凸起和200～300 nm的孔隙。圖2b是局部放大圖，明顯看出在涂層表面具有納米級的凹凸結(jié)構(gòu)，且涂層表面分布有大量不均勻的粗糙孔結(jié)構(gòu)。許多小孔分布在這些凸起之間，小凸起與小孔共同形成珊瑚狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致更多的空氣被捕獲到這些孔隙中。
圖3超疏涂層的AFM圖像
圖3a能夠看出，涂層表面有560 nm左右的大的凸起和590 nm左右的凹陷，粗糙表面呈現(xiàn)出許多微尺度起伏，并且在圖3b中的局部放大部分顯示在大凸起上有許多很細(xì)小的納米凸起結(jié)構(gòu)，這些大的凸起是由直徑1.3μm和約300 nm的SiO2共同構(gòu)成，細(xì)小的凸起是直徑60 nm的SiO2堆疊而成。這種微納米凹凸結(jié)構(gòu)對材料超疏性能做出貢獻(xiàn)。XPS測試得知表面氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.54%，高于理論19.8%的氟含量。說明FPU中的CF2和CF3基團(tuán)已經(jīng)遷移到薄膜表面并在表面富集。綜上所述，超疏涂層不僅具有優(yōu)異的表面微結(jié)構(gòu)還具有極低的表面張力。
2.4超疏涂層的表面性能
為了檢測涂層的表面性能，分別測試了5種液體在其表面的靜態(tài)接觸角和滾動角，結(jié)果見表2。
表2不同表面張力液體在超疏涂層上的接觸角和滾動角
由表2可見，超疏涂層對于表面張力在48.4～72.4 mN/m的液體具有超疏能力。分析其原因，一方面是由于FPU中含有大量低表面能的C—F鍵，在形成納米復(fù)合材料膜期間，含氟鏈段優(yōu)先遷移到薄膜表面，從而使其表面張力降低;另一方面在于使用低固含量的FPU溶液涂覆，最大程度保留了玻璃片表面微納米結(jié)構(gòu)的凹凸結(jié)構(gòu)特征。
2.5超疏涂層的化學(xué)穩(wěn)定性
在實(shí)際應(yīng)用中，超疏涂層將會不可避免地面臨嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)，為此模擬測試了超疏涂層在不同溶液和溶劑中的化學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)果如圖4所示。
圖4超疏涂層在不同溶液中水的接觸角和滾動角
由圖4可知，超疏涂層在無水乙醇和二氯甲烷中浸泡168 h后仍然保持超疏水性能;在pH=1的酸性溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中浸泡120 h后與水仍然保持超疏性能。但在pH=14的堿性溶液中浸泡48 h后接觸角低于150°且已無法滾動。這說明涂層具有較好的耐酸、耐鹽水和耐溶劑性能，但是耐堿性欠佳。
2.6超疏涂層的耐磨性能
圖5為超疏涂層在經(jīng)過19次磨損的每次磨損周期后對水的接觸角和滾動角變化情況。
圖5涂層在19次磨損周期對水接觸角和滾動角變化
由圖5可見，超疏涂層在經(jīng)歷了19個(gè)回合后表面出現(xiàn)破損，但是涂層與水的靜態(tài)接觸角大于150°且滾動角小于10°，表明依舊具有超疏水性能。由此可見，雖然FPU薄膜只有2～3μm左右的厚度，但是仍然極大地提高了涂層的機(jī)械穩(wěn)定性。原因在于表面涂覆的FPU薄膜是特殊的軟硬兩相結(jié)構(gòu)，同時(shí)氫鍵化程度高，最大限度地吸收來自外部摩擦的沖擊能，因而具有優(yōu)良的耐磨性。
3結(jié)論
(1)FPU薄膜具有較好的硬度、基材附著力、熱穩(wěn)定性和憎水性；通過SEM和AFM圖片證實(shí)了超疏水涂層具有良好的微納米凹凸結(jié)構(gòu);通過XPS測試可知涂層表面具有極低的表面張力。
(2)超疏水涂層對于表面張力在48.4～72.4 mN/m的液體具有超疏能力;具有優(yōu)良的耐磨性以及較好的耐酸、耐鹽水和耐溶劑性能，但耐堿性欠佳。