仿生超疏水涂层的制备

仿生超疏水涂层的制备1实验目的1）了解仿生超疏水涂层的设计原理2）掌握环氧树脂改性处理2实验原理超疏水表面技术的理论研究始于20世纪40年代，盛90年代。由于超疏水膜在国防、日常生活和众多工业领域有着广泛的应用前景，所以其研究备受关注。为此开发了许多新的制备技术，以求表面获得超疏水性能。超疏水表面已在自然界生物的长期进化中产生,许多动植物(如荷叶、水稻叶、蝉翼和水黾腿)表面具有超疏水和自清洁效果,最典型的代表是所谓的!荷叶效应(lotuseffect)!。超疏水表面是指与水的接触角大于150∀而滚动角小于10∀的表面。Barthlott和Neinhuis通过观察植物叶表面的微观结构,认为自清洁特征是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面的存在蜡状物共同引起的。认为荷叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结构,而这种纳/微米阶层结构是引起表面超疏水的根本原因。固体表面超疏水性是由固体表面的化学成分和微观几何结构共同决定的。通常,制备超疏水表面有两种途径:一种是在具有低表面能的疏水性材料表面进行表面粗糙化处理;另一种是在具有一定粗糙度的表面上修饰低表面能物质。由于超疏水涂层独特的表面特性和潜在的应用价值而成为功能材料领域的研究热点,并获得越来越广泛的应用。在天然的和人工合成材料中,光滑表面从未能表现出超疏水性。制备超疏水表面的方法包括:刻蚀法、溶胶-凝胶法、模板法、相分离法、自组装、气相沉积法等。通过碳纳米管、纳米粒子、纳米纤维金属氧化物及其合金材料等,可以制备草莓状、蜂窝状、菜花状、山沟状等各种形貌的粗糙表面。但是目前报道的超疏水表面的制备方法大多需用到特殊的设备和价格昂贵的氟硅化合物,不适于制备大面积超疏水表面涂层。因此,迫切需要开发简单可行、环保经济的制备方法。超疏水表面的理论还不完善,应该加强超疏水表面理论模型的研究,优化影响表面微观结构生成的技术参数,进一步指导超疏水表面的设计。超疏水涂层在应用方面也存在一些问题,如容易被油性物质污染,达不到自清洁的效果,应开发同时具有超疏水和疏油特性的涂膜;此外,涂层表面粗糙度会降低其机械强度,导致其超疏水性难以持久。因此,在超疏水薄膜的大面积制备中应加强低表面物质与粗糙度的调控。为此,通过在环氧涂料中加入具有疏水作用的表面活性剂和微米轻质碳酸钙颗粒改变涂料的表面状态,在碳钢表面制备了具有仿荷叶表面结构的疏水涂层。利用扫描电镜和接触角测定仪对涂层的表面形貌和疏水性能进行了表征。研究表明:涂层的结构与荷叶表面的的乳突结构具有较好的一致性,水滴在涂层表面的接触角得到了显著提高;涂层具有良好的疏水功能。环氧树脂是一类重要的热固性塑料，广泛用于黏合剂，涂料等用途。又称作人工树脂、人造树脂、树脂胶等。人造树脂(Epoxyresins／Epoxy／polyepoxide)是热固性环氧化物聚合物。大多数人造树脂由氯环氧丙烷（epichlorohydrin）（C3H5ClO）和双酚A(酚甲烷)（bisphenol-A）（C15H16O2）產生化学反应而成.凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂。固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定，因而广泛应用于国防、国民经济各部门，作浇注、浸渍、层压料、粘接剂、涂料等用途。3实验仪器与试剂仪器：试片为45钢,（规格为50mm25mm2mm。用金相砂纸打磨试样至表面无明显划痕,用5%NaOH溶液除油、10%HCl除锈后，用清水冲洗干），保险刀片一枚,电热鼓风箱，秒表：分度为0.2秒天平：感量为0.01g，玻璃培养皿：直径75~80毫米，边高聚物8~10毫米温度计：0~200℃，0~300℃，四倍放大镜，漆刷：宽25~35毫米，附着力测定仪，冲击试验器。试剂：环氧树脂（一瓶或一罐），NAOH溶液，HCL溶液，十八烷基胺，芳香胺，正丁醇，二甲苯，轻质碳酸钙粉末（这些各一瓶）4实验步骤1）涂料改性将二甲苯、正丁醇以41混合作为稀释剂;十八烷基胺、芳香胺以12混合后,加入适量的稀释剂后加热直至完全融化;待已熔化的十八烷基胺、芳香胺混合液冷却后,以110的比例加入至环氧树脂(预先制备好的)中,搅拌均匀,根据涂料黏度可再加入适量的稀释剂。所有试剂均为分析纯。2)轻质碳酸钙涂液制作将已熔化的十八烷基胺、胺混合物及稀释剂倒入盛有轻质碳酸钙粉末的烧杯中,搅拌均匀后,冷却至室温。3）试片涂覆将碳钢试片浸入环氧涂料中,涂覆均匀后取出;再涂覆轻质碳酸钙粉,厚度以盖住涂料为宜。将涂覆好的试片放在150的DH101电热恒温干燥箱中加热烘烤30min,再升温至200,直至完全固化。4）涂层性能表征为增加涂层导电性,对试片表面喷金,喷金厚度约5nm,再利用日立S3400N扫描电镜观察涂层的表面形貌。用JY82接触角测定仪测量水在涂层表面的静态接触角,水为去离子水,体积为5L。按照GB1725,GB1720,GB1732,GB1728测试涂料黏度,涂层附着力和冲击强度和干燥时间。用自来水冲刷涂层表面,记录轻质碳酸钙从涂层表面脱落的时间.GB/T1728每隔若干时间或达到产品标准规定时间，在距膜而边缘不小于1cm的范围内，选用下列方法检验漆膜是否表面干燥或实际干燥（烘干漆膜和腻子膜是从电热鼓风箱中取出，应在恒温恒湿条件下放置30分钟测试），以小时或分表示。表面干燥时间：指触法：以手指轻触漆膜表面，如果感到发粘，但无漆黏在手指上，即认为表面干燥。实际干燥时间：刀片法：用保险刀片在样品上切刮漆膜或腻子膜，便观察其底层及膜内均无粘着现象（如腻子膜，还需用水淋湿样板，用产品标准规定的水砂纸打磨，若能形成平滑表面，不粘砂纸），即认为实际干燥GB1725本标准适用于涂料固体含量的测定，即涂料在一定温度下加热焙烘后剩余物重量与试样重量的比值，以百分数表示。先将干燥洁净的培养皿在105±2℃烘箱内焙烘30分钟。取出放入干燥器中，冷却至室温后，称重。用磨口滴瓶取样，以减量法称取1.5~2克试样（过氯乙烯漆取样2~2.5克，丙烯酸漆及固体含量低于15%的漆类取样4~5克），置于已称重的培养皿中，使试样均匀地流布于容器的底部，然后放于已调节到按下表所规定温度的鼓风恒温烘箱内焙烘一定时间后，取出放入干燥器中冷却至室温后，称重，然后再放入烘箱内焙烘30分钟，取出放入干燥器中冷却至室温后，称重，至前后两次称重的重量差不大于0.01克为止（全部称量精确至0.01克）。试验平行测定两个试样。各种漆类焙烘温度规定表涂料名称焙烘温度，℃硝基漆类、过氯乙烯漆类、丙烯酸漆类、虫胶漆80±2缩醛胶100±2油基漆类、酯胶漆、沥青漆类、酚醛漆类、氨基漆类、醇酸漆类、环氧漆类、乳胶漆类（乳液）、聚氨酯漆类120±2聚酯漆类、大漆150±2水性漆160±2聚酰亚胺漆180±2有机硅漆类在1~2小时内，由120升温到180，再于180±2保温聚酯漆包线漆200±2(本次实验选用120±2℃）GB/T1720漆膜对底材粘合的牢度即附着力，按圆滚线划痕范围内的漆膜完整程度评定，以级表示。GB/T1732适用范围本标准规定了以固定质量的重锤落于试板上而不引起漆膜破坏的最大高度（cm）表示的漆膜耐冲击性试验方法。本标准适用于漆膜耐冲击性能的测定。冲击试验器1)冲击试验器如图所示，由下列各件组成：座1；嵌于座中之铁砧2；冲头3；滑筒4；重锤5及重锤控制器。1)控制器装置由下列部件组成；制动器器身6；控制销7；控制销螺钉8；制动器固定螺钉10及定位标11；横梁15用两根柱子16与座相联；在横梁中心装有压紧螺帽12；冲头可在其中移动，用螺钉14将圆锥13连接在横梁上。滑筒之一端旋入锤体中，而另一端则为盖9；滑筒中的重锤可自由移动，重锤借控制装置固定，并可移动凹缝中的固定螺钉，将其维持在范围内的任何高度上。滑筒上有刻度以便读出重锤所处位置。2)冲击试验器各部件的规格2.1)滑筒上的刻度应等于50±0.1cm，分度为1cm。2.2)重锤质量为1000±1g，应能在滑筒中自由移动。2.3)冲头上的钢球，应符合GB3088IV的要求，冲击中心与铁砧凹槽中心对准，冲头进入凹槽的深度为2±0.1mm。2.4)铁砧凹槽应光滑平整，其直径为15±0.3mm，凹槽边缘曲率半径为2.5～3.0mm。3)校正冲击试验器用的金属环及金属片3.1)金属环：外径30mm，内径10mm，厚3±0.05mm。3.2)金属片：30mm×50mm，厚1±0.05mm。4)冲击试验器的校正把滑筒旋下来，将3mm厚的金属环套在冲头上端，在铁砧表面上平放一块1±0.05mm厚的金属片，用一底部平滑的物体从冲头的上部按下去，调整压紧螺帽使冲头的上端与金属环相平，而下端钢球与金属片刚好接触，则冲头进入铁砧凹槽的深度为2±0.1mm。钢球表面必须光洁平滑，如发现有不光洁不平滑现象时，应更换钢球。5)取样按GB3186的规定进行。6)试板6.1)材料和尺寸除另有规定或商定外，试板为马口铁板。应符合GB9271的技术要求，尺寸为50mm×120mm×0.3mm；薄钢板应符合GB708的技术要求，尺寸为：65mm×150mm×0.45～0.55mm（供测腻子耐冲击性用）。6.2)试板的处理及涂装除另有规定外，试验样板的处理及涂装应按GB1727的规定制备试板。6.3)试板的干燥和状态调节试板应按产品标准规定的条件和时间进行干燥。除另有规定外，应将干燥试板在温度23±2℃和相对湿度50%±5%环境条件下至少调节16h。6.4)漆膜厚度按GB1767规定测定漆膜厚度。7)测试步骤7.1)测试条件除另有规定外，应在23±2℃和相对湿度50％±5％的条件下进行测试。7.2)冲击试验步骤将涂漆试板漆膜朝上平放在铁贴上，试板受冲击部分距边缘不少于15mm，每个冲击点的边缘相距不得少于15mm。重锤借控制装置固定在滑筒的某一高度（其高度由产品标准规定或商定），按压控制钮，重锤即自由地落于冲头上。提起重锤，取出试板。记录重锤落于试板上的高度。同一试板进行三次冲击试验。7.3)试板的检查用4倍放大镜观察，判断漆膜有无裂纹、皱纹及剥落等现象。注意事项1）在涂片过程中，环氧-酚醛树脂涂料的涂层厚度不宜太厚，否则可能导致内涂膜的附着力下降、微孔数量增多。2)烘烤温度对内涂膜的性能起着关键作用。若烘烤温度过低，环氧-酚醛树脂涂料高分子结构的聚合反应就不充分，没有参加反应的基团就越多，那么，内涂膜表面的微孔数量就越多，抗冲击性能就越差，这样一来，内涂膜经高温杀菌后，水分容易从微孔中侵入，导致内涂膜发白而脱落；若烘烤温度过高，则会导致环氧-酚醛树脂涂料高分子结构中的分子键断裂，内涂膜附着力明显下降