聚二甲基硅氧烷/MCM-41 超疏水涂層的制備與性能研究

由于超疏水涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的特點(diǎn)如防冰性、耐油水分離性、防霧性、自清潔性、防污性、減阻性等，從而受到了研究者們的廣泛關(guān)注。制備超疏水涂層的方案主要有2種：（1）對疏水表面進(jìn)行粗糙化處理；（2）引入低表面能材料對粗糙表面進(jìn)行疏水改性。

采用方案（1）對疏水表面進(jìn)行粗糙化處理的方法有：靜電紡絲法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、等離子刻蝕、溶膠-凝膠法、光刻法等。然而，以上方法存在如設(shè)備成本昂貴、工藝復(fù)雜、對操作技術(shù)要求較高等缺點(diǎn)。

為了克服上述問題，研究者們通常采用方案（2）即引入低表面能材料對粗糙表面進(jìn)行疏水改性，通常采用化學(xué)改性如接枝的方法引入有機(jī)硅或有機(jī)氟官能團(tuán)，使其與二氧化硅納米顆粒（SiO2 NPs）通過化學(xué)鍵進(jìn)行結(jié)合，得到具有疏水功能的SiO2 NPs，隨后通過樹脂基體、化學(xué)吸附或物理吸附使功能化的SiO2 NPs與基體牢牢結(jié)合形成超疏水涂層。Tian等通過引入1H，1H，2H，2H-全氟十二烷基三乙氧基硅烷（PFDTES）對SiO2 NPs進(jìn)行改性，通過官能團(tuán)接枝實(shí)現(xiàn)化學(xué)結(jié)合，但是此方法引入了氟化官能團(tuán)，可能會(huì)對環(huán)境造成污染，且采用了較為復(fù)雜的化學(xué)接枝方法，制備工藝較為繁瑣。Sun等采用兩步法對SiO2 NPs進(jìn)行疏水改性，首先用乙烯基三乙氧基硅烷（VTEOS）對SiO2 NPs進(jìn)行改性，隨后使硅烷改性的SiO2 NPs和苯乙烯（St）進(jìn)行反應(yīng)，使St上的一些疏水官能團(tuán)接枝到SiO2 NPs顆粒上實(shí)現(xiàn)疏水改性。然而，此方法較為繁瑣（需要兩步改性），不適合批量生產(chǎn)及大規(guī)模應(yīng)用。Seyfi等采用了簡單的噴涂法制備了彈性聚氨酯（TPU）/改性的SiO2 NPs超疏水涂層，但是也引入了較為復(fù)雜的接枝方法，所制備的涂層力學(xué)性能較差且需要高溫固化，對能源形成了浪費(fèi)。Wang 等設(shè)計(jì)了一種改善超疏水涂層耐磨性的方案，通過引入硅氧烷單體將SiO2 NPs進(jìn)行包覆，形成復(fù)雜網(wǎng)狀顆粒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對SiO2 NPs的疏水化改性，之后將其與聚甲基氫硅氧烷（PMHS）混合制備超疏水涂層，該涂層可以耐150周期的磨損試驗(yàn)和500次膠帶剝離試驗(yàn)。然而此方法依然采用了接枝的方法對SiO2 NPs進(jìn)行改性，且需要高溫固化。通過上述研究可以看出，普通的SiO2（無孔SiO2）的改性方法僅限于化學(xué)接枝法。

基于無孔SiO2改性的局限性，本研究引入了介孔SiO2納米顆粒（MCM-41）。MCM-41具有比表面積大（900 m2/g）、內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)（孔徑2~20 nm）的特點(diǎn)，在催化劑載體、生命醫(yī)學(xué)、載藥等方面已得到應(yīng)用，但在超疏水方面鮮有應(yīng)用。

本研究提出了一個(gè)簡單易行且可大規(guī)模應(yīng)用的制備超疏水涂層的方法：首先，利用MCM-41內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)、極大的比表面積（>900 m2/g）及強(qiáng)吸附性等特點(diǎn)，采用真空負(fù)壓法將低表面能的PDMS載入MCM-41中，制得疏水改性的MCM-41（MCM-41/PDMS）；隨后，使用共混法將MCM-41/PDMS、環(huán)氧樹脂、固化劑和稀釋劑進(jìn)行混合制得超疏水涂料；后，采用簡單的噴涂法將涂料噴涂在基底表面形成環(huán)氧/聚二甲基硅氧烷/MCM-41超疏水涂層。此外，通過調(diào)整MCM-41/PDMS和環(huán)氧樹脂的配比，得到了的疏水性和附著力的佳平衡，并對該配方下的超疏水涂層進(jìn)行機(jī)械耐久性測試如耐膠帶剝離測試和耐磨性測試。