二氧化硅/环氧树脂复合涂层的制备及其疏水性能
                                赵俊伟,宋立华,陈利娟
                         (河南大学化学化工学院,河南开封475004)
    摘　要：采用喷涂技术,在马口铁表面喷涂环氧树脂和二氧化硅复合涂层,研究了二氧化硅的含量对表面疏水性的影响,复合涂层的疏水性随二氧化硅含量的增加而增加.当二氧化硅质量分数增大到40%时,所制备的复合涂层与水的接触角约为141°且具有较小的滚动角.
    关键词：马口铁;环氧树脂;复合涂层;疏水性;接触角;滚动角
    中图分类号：O614文献标识码:A文章编号: 1008-1011(2009)03-0080-03
    润湿性是固体表面的一个重要特征,无论在工农业生产还是在日常生活中都发挥着重要的作用[1-4].近几年来,具有超疏水性的界面材料引起了人们的广泛关注,研究者通过多种方法来制备超疏水表面,其中在低表面能材料的表面构筑粗糙表面是获得超疏水性能的有效途径[5-8], Jiang等人[9]利用冷喷涂技术,在具有丝网结构的不锈钢表面上制备均匀的聚四氟乙烯涂层,获得超疏水表面,但该方法需要在基材表面预先构筑微结构;Wang等人[10]在聚苯乙烯涂层中添加二氧化硅微粒,增加了聚苯乙烯涂层的表面粗糙度,提高了其疏水性,但聚苯乙烯涂层与金属基材之间结合力较差,不能附着在金属基材上.为了得到与金属基材结合力较好的疏水聚合物涂层,本文作者选用广泛应用的工程材料环氧树脂作为喷涂材料,环氧树脂具有较高的粘结强度,与金属表面结合力较强,常作为粘结剂使用,且涂层可室温或低温固化,固化收缩率小、稳定性高、耐水、耐辐射、耐腐蚀和耐热老化等优异性能[11];通过向环氧树脂中添加疏水二氧化硅颗粒,增加涂层表面的粗糙度,利用冷喷涂技术,在马口铁表面制备环氧树脂二氧化硅复合涂层,并考察了二氧化硅含量对复合涂层润湿性能的影响,为制备具有工程应用价值的超疏水涂层提供了科学依据.
    1　实验部分
    1.1　试剂
    环氧树脂E-51,环氧值0. 51,无色黏稠状液体,蓝星新材料无锡树脂厂生产;乙二胺,环氧树脂室温固化剂,疏水二氧化硅,成都今天化工有限公司生产,粒径约为10μm.
    1.2　制备与表征
    以马口铁作基材,使用前依次用600, 800, 1000号耐水砂纸打磨,在丙酮中清洗晾干.将2 g环氧树脂加入20 mL丙酮中,磁力搅拌1 h后,加入不同质量分数的疏水SiO2(相对于环氧树脂的含量),超声20 min后,加入0. 15 g固化剂乙二胺,搅拌30 min,用以喷涂成膜.采用传统的喷涂方法,使用荷花牌喷枪,载气为空气, 0. 4MPa,喷涂距离为20 cm,喷枪与样品成90°.喷涂后的样品室温晾干, 50℃的烘箱中固化.JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)对样品表面的形貌进行分析.在PHI-5702型多功能X射线光电子能谱仪上表征样品中所含元素种类及其价态,测试条件为MgKα激发源,通过能量29. 35 eV,以碳的C1s结合能284. 6 eV作为内标,仪器的分辨率为±0. 3 eV.接触角的测量采用DSA100型视频光学接触角测量仪,取10μL蒸馏水为探测液,在样品表面不同区域取五个点,取平均值.
    2　结果与讨论
    2.1　形貌分析
    图1为二氧化硅颗粒和不同SiO2含量时环氧树脂/SiO2复合涂层表面的扫描电镜图.图1a显出了原料二氧化硅颗粒的扫描电镜图,从图1a可以看出,二氧化硅为微米级颗粒,直径约为10μm.图1b、1c和1d分别为SiO2质量分数为0、20%和40%时的环氧树脂/SiO2复合涂层表面的扫描电镜图.从图1可以看出,纯的环氧树脂涂层表面较致密平整,随着涂层中SiO2质量分数的增加,涂层表面的致密程度下降,粗糙程度增大,当SiO2质量分数为40%时,涂层表面呈现不规则的突起和空隙.
      
    2.2　润湿性分析
    图2给出了所制备环氧树脂/SiO2复合涂层表面的接触角随涂层中二氧化硅质量分数的变化曲线图,并给出了水滴在不同质量分数的复合涂层表面上的轮廓图.从图2可以看出,随着涂层中二氧化硅含量的增加,涂层表面的接触角增大;而且通过测量可知,涂层中二氧化硅含量较低时,水滴与涂层表面的动态接触角较大;涂层中二氧化硅质量分数增大时,水滴与涂层表面的动态接触角较小,涂层中二氧化硅质量分数达到40%,所制备复合涂层与水的接触角约为141°,只要轻轻地倾斜样品表面,水滴就能轻易地滑离涂层表面.
    2.3　X射线光电子能谱分析
    图3为不同SiO2含量时环氧树脂/SiO2涂层表面的光电子能谱.图3a是SiO2质量分数为10%时所制备环氧树脂/SiO2复合涂层表面的光电子能谱,从图3可以看出:在含有10%二氧化硅的复合涂层表面的光电子能谱里,几乎没有硅元素能谱峰;图3b是SiO2质量分数为40%时所制备环氧树脂/SiO2复合涂层表面的光电子能谱,在含有40%二氧化硅的复合涂层表面的光电子能谱里,出现了较强的硅元素能谱峰,通过计算得知Si元素占表面元素组成的25. 42%.由上面研究结果分析可知:当涂层中二氧化硅含量较少时,环氧树脂是连续相,二氧化硅颗粒填充到树脂中间,与底材的结合力较强,但所制备的复合涂层表面的疏水性较差;当涂层中二氧化硅含量较大时,环氧树脂充当黏结剂,把二氧化硅颗粒黏粘在金属表面,所制备复合涂层表面的疏水性得到提高,且具有较小的滚动角,但涂层与底材的结合力较弱,若二氧化硅的含量继续增大,环氧树脂就不能很好地起到黏结剂的作用,将二氧化硅颗粒黏粘到金属表面上.
               
               
    结论:通过冷喷涂技术制备了对金属表面具有保护作用的环氧树脂/SiO2复合涂层,研究了SiO2含量对复合涂层润湿性的影响,结果表明,当涂层中SiO2的质量分数达到40%,复合涂层与水的接触角约为141°,与水滴的动态接触角较小.
    参考文献：略