基于功能性聚合物微球构建疏水性涂层的研究

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疏水聚合物涂层具有优异的抗润湿性,在自清洁、抗结冰、减反射、抗菌等领域有着广阔的应用前景。但疏水涂层在制备环节和实际使用中尚存在许多不足,进一步改良制备工艺和提高聚合物涂层的性能具有现实意义。本论文采用不同的制备方法合成了系列具有新型功能的聚合物微球,通过优化涂层制备工艺,制备了多种具有优异综合性能的疏水或超疏水聚合物涂层,系统研究了所制备微球的化学组成、粒径、功能基团与聚合物涂层性能间的关系。  以二步乳液聚合法制备了壳层同时含有全氟基团和可交联基团(环氧或羧基)的核壳型聚合物纳米微球,动态光散射(DLS)和透射电镜(TEM)结果表明所制备的聚合物微球为核壳结构。制备涂层的工艺采取后交联法,即先室温浇铸成涂层再经过热处理使可交联基团反应形成交联网络。系统研究了氟元素和可交联单体含量变化对涂层的耐热性、疏水性以及在潮湿条件下疏水稳定性的影响。聚合物涂层的X-射线光电子能谱(XPS),全反射红外光谱(ATR-FTIR)、原子力显微镜(AFM)以及水接触角测试结果表明:采用先室温形成涂层再升温使环氧和羧基基团交联的涂层制备工艺,氟基团可有效迁移并富集于涂层表面。而且交联网络结构可有效抑制潮湿环境下氟元素向涂层内部的迁移,大大改善了聚合物涂层的疏水稳定性。其中,含6wt%氟元素和5mo1%交联单体浓度的涂层的水接触角可达109°,而且涂层的表面张力(17.7mN/m)甚至低于聚四氟乙烯(18.5 mN/m)。  使用二乙烯基苯作为原料,通过乳液聚合法和分散聚合法合成了粒径分别为157.2nm,602.1nm和5.1μm的纳米、亚微米和微米级的高度交联PDVB(聚二乙烯基苯)微球,采用乳液浇铸法分别制备了不同微球粒径的聚合物涂层,系统研究了微球粒径对聚合物涂层表面形貌、表面粗糙度、疏水性和涂层临界开裂厚度(CCT)的影响。结果表明:随粒径的增大,纳米、亚微米和微米级微球涂层的表面粗糙度分别由49nm增加到136nm和1.27μm,水接触角则相应从136°分别增大到151.8°和150.2°。而且,粒径的增加有助于提高涂层的CCT值,微米级微球涂层的CCT值可达8.1μm,超过文献报道的大多数无机和有机高分子超疏水涂层的无开裂涂层厚度。此外,与线性的聚苯乙烯微球涂层相比,高度交联网络结构使得即使在150℃连续处理24小时的条件下,PDVB微球涂层的表面形貌和水接触角仍保持不变,具有优异的热稳定性。  通过种子乳液聚合法在PDVB微球上引入氟组分,再通过乳液浇铸法得到超疏水聚合物涂层。含16wt%氟元素的PDVB涂层的接触角高达163.2°,滚动角约为5°,而粘附功只有3.1mN·m-1,表现出优异的自清洁性能。氟组分的引入还有效的提高了涂层的热稳定性。聚合物涂层还具有良好的耐酸碱能力。将样品涂布于滤纸上时,表现出超疏水和超亲油的性能,可有效应用于水油分离。  首先以细乳液聚合法制备了聚苯乙烯纳米微球,再通过种子乳液聚合法在纳米微球表面进行苯乙烯和丙烯酸共聚,得到壳层含羧基的核壳结构聚苯乙烯微球。以壳层含羧基的聚苯乙烯微球作为高分子配体、1,10-邻菲罗啉(Phen)和乙酰丙酮(Acac)为小分子共配体与稀土离子(Eu3+、Tb3+)进行配位反应,制备了含不同稀土元素的稀土配位聚合物纳米复合微球。将这种微球与微米级聚四氟乙烯(PTFE)粒子以一定质量比分散于乙醇中,均匀混合后浇铸成涂层。动态光散射(DLS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析结果表明稀土配位聚合物微球粒径分布均匀、尺寸在纳米级,且在壳层含羧基的聚苯乙烯微球上成功引入了稀土配位层。SEM和EDS分析结果证实,复合涂层中PTFE粒子与稀土配位聚合物微球均匀分布,且形成了高度粗糙和微纳结构的表面。聚合物/稀土复合涂层的水接触角为161°。稀土配位聚合物复合涂层在紫外光激发下可以发出很强的稀土特征荧光,而且在水和NaCl水溶液浸泡48小时后涂层的荧光强度基本保持不变,表现出优异的荧光稳定性。
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