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[学位]

丙烯酸聚氨酯涂层的表面疏水改性

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Author:

贾冬梅 (贾冬梅.)

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学位论文库

Abstract:

超疏水涂层具有高的接触角和低的滚动角可使水滴在其表面快速滑落,带走表面的灰尘和污垢,赋予涂层自清洁功能,在防污、防覆冰、防雾和海洋防腐等领域都具有广阔的应用前景。目前文献报道的超疏水涂层多存在耐磨性差、附着力低,不能长久保持疏水性等缺陷,严重限制了其实际应用。丙烯酸聚氨酯涂料具有良好的耐磨性、柔韧性和较强的附着力,已被广泛用于汽车、建筑及装饰等领域。二氧化硅颗粒因其粒径可控,耐磨性良好,制备方法简单等优势被广泛用作构建超疏水涂层中微纳米粗糙结构。将丙烯酸树脂与微纳米尺度的二氧化硅颗粒复合,是构筑涂层粗糙结构、获得超疏水性能的主要措施。然而,采用纳米颗粒制备超疏水涂层时往往难以在获得突出疏水性的同时兼顾涂层的附着力和耐磨性。
本论文以双组份丙烯酸聚氨酯树脂为主要成膜物质,从改变丙烯酸聚氨酯涂层的表面化学组成和表面粗糙结构两方面入手,通过在涂料制备过程中加入低表面能组份或经疏水改性的二氧化硅粒子,在满足涂层基本机械性能的基础上,分别制备了具有疏水性和超疏水性能的丙烯酸聚氨酯涂层。
1)以性能优异的双组份丙烯酸聚氨酯作为成膜树脂,复合以氟碳树脂和低表面能助剂,制备了具有耐久疏水性的丙烯酸聚氨酯涂层。在涂层干燥、固化过程中低表面能组份向迁移至涂层表层,而涂层靠近基材的一侧仍以成膜树脂为主。由此以来,通过加入少量的低表面能助剂 (约占树脂固含的0.5%),即使涂层接触角从90°提高至108°。该疏水涂层不仅附着力高,耐候性好,而且表面平整,耐磨性佳,即使被磨损掉初始厚度的20%时其水接触角仍大于105°,表现出良好的疏水耐久性。对显著提高涂层接触角的助剂的组成和结构分析表明,助剂1具有含有烷基侧链和硅-氧-硅主链的结构特征,且具有熔点低、轻质的特点容易迁移至涂层表面。该制备方法简便易行,成本低廉,适合于工业化制备。
2)分别采用St?ber法和一锅法经过溶胶-凝胶过程制备了具有超疏水性能SiO2粒(SiO2 NPs)子,两种方法获得的改性SiO2 NPs均可以形成具有荷叶效应的微纳米粗糙结构。SiO2粒子的尺寸和形貌对涂层疏水性能有很大的影响,粒径分布在400 nm左右的粒子可以使涂层具有较高的疏水性能。相比于产率较低,制备时间较长的St?ber法,采用一锅法制备的疏水SiO2 NPs更有望用于大规模制备超疏水涂层。
3)将羟基丙烯酸树脂与经疏水改性的SiO2 NPs复合,采用异氰酸酯类固化剂,经喷涂、室温固化后即获得了具有良好耐磨性和优异附着力的超疏水丙烯酸聚氨酯 (SAPU) 涂层。经由十七氟三甲氧基氟硅烷修饰的纳米级SiO2 NPs能够在涂层表面构筑成微/纳米复合的粗糙结构,SiO2 NPs表面的硅羟基与异氰酸根之间的反应确保了无机组分和树脂基体之间强有力的结合力,所得丙烯酸聚氨酯涂层的水接触角高达162°,滚动角低至10°,附着力为0级,经砂纸打磨后水接触角仍可高于150°。该方法制备工艺简单易行、尤其适合于大规模部件的涂装,将为超疏水、自清洁等表面的开发提供一条新思路。
本论文的研究意义在于,理论方面,从低表面能助剂对涂层的影响机理出发,明确了含有烷基侧链和硅-氧-硅主链的特征结构对于提高涂层接触角的作用;应用方面,利用双组份涂料中的固化剂有效地将树脂和改性SiO2 NPs结合,克服了目前超疏水涂层普遍存在的疏水性与机械性能难以兼顾的矛盾,为大规模制备具有优异机械性能的超疏水涂层提供了解决方案。

Keyword:

丙烯酸聚氨酯 改性 耐久性 疏水

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  • [ 1 ] 西安交通大学理学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 井新利

Year: 2015

Language: Chinese

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