Page 215 - 《精细化工》2020年第7期
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第 7 期 孟艳芳，等: 一种防渗透硅烷纳米粒子/聚乳酸复合超疏水涂料 ·1497·
由图 5 可见，接触角随疏水硅烷纳米粒子用量 聚乳酸的成膜性较好。张文等 [34] 对聚乳酸的流
的增加而增加，达到一定量后接触角不变。这是因 变性能进行了研究。聚乳酸熔体属于典型的切力变
为，表面粗糙度随疏水硅烷纳米粒子的增加而增加， 稀型非牛顿流体，其表观黏度随剪切速率的增加而
但增加到一定程度后达到极限。当硅烷纳米粒子用 降低；随着熔体温度上升，其表观黏度减小。聚合物
量为 4%时，接触角达到 150°以上。HU 等 [20] 将纳米 自由体积越大，渗透系数越大,越容易渗透。聚乳酸
碳酸钙添加到苯丙乳液中制备超疏水纸，发现纳米 为热塑性高分子聚合物，其表面平滑，不存在微裂
碳酸钙用量相对于苯丙乳液较低时，由于降低了表 纹、微孔、结晶缺陷，这使得水难以在聚乳酸表面
面粗糙度而使接触角下降。 吸附；聚乳酸的结晶结构链段排列整齐、堆砌密度
2.3.1.3 聚乳酸溶液中硅烷偶联剂用量对接触角的 大，水难以渗入通过。另外，聚乳酸分子结构呈现
影响 线型，连接紧密，从而使聚合物分子中的自由体积
固定 HDTMS/TEOS 物质的量比为 1∶2，硅烷 相对较小，水分子的渗透性较弱，即对水的阻隔性
纳米粒子用量为聚乳酸/二氯甲烷溶液总质量的 6%， 较强。但是，由于聚乳酸分子没有含氟基团等表面
不同硅烷偶联剂用量对接触角的影响如图 6 所示。 能较低的基团，所以接触角不是非常理想。为克服
这一缺点，通过加入纳米粒子构造多级结构来增加
表面粗糙度，形成 CASSIE-BAXTER 模型，从而大
大提高接触角。
图 7a、b、c 分别是涂覆疏水硅烷纳米粒子/乙
醇溶液的纸、涂覆聚乳酸/二氯甲烷溶液的纸、涂覆
疏水硅烷纳米粒子/聚乳酸复合防水涂料的纸的时
间-接触角曲线(每隔 10 s 取点，下同)，其中，
HDTMS/TEOS 物质的量比为 1∶2，KH550 用量为
聚乳酸/二氯甲烷溶液总质量的 0.4%。
图 6 KH550 用量对接触角的影响
Fig. 6 Effect of KH550 dosage on the water contact angle
由于 KH550 含有亲水的氨基，会降低材料的疏
水性。从图 6 可见，接触角随 KH550 用量的增加而
下降。这是因为，KH550 的氨基与纤维素基质、聚
乳酸之间形成的氢键使得氨基不暴露于表面。因此，
对接触角的降低不明显。但当 KH550 超过一定量
后，接触角下降明显。这是因为，KH550 用量较高
时，氨基除了与纤维素、聚乳酸形成氢键，还有未 图 7 未涂覆与涂覆防渗透性涂料的纸张的接触角随时
形成氢键的留在表面。 间变化曲线
2.3.2 防渗透性 Fig. 7 Curves of contact angle of uncoated and coated paper
with time
超疏水涂覆材料不仅要防水，而且要防渗透。
防渗透性主要由成膜的致密性和表面多级拓扑结构 由图 7a 可见，涂覆疏水硅烷纳米粒子的乙醇溶
[5]
两方面影响 。膜越致密，越易阻止水分子渗入间 液的纸接触角随时间延长下降迅速，在 10~20 min
隙。另一方面，毛细管作用力与毛细管尺寸呈反比。 内，接触角降速达 150(º)/min，表面不具有防渗透性。
表面多级拓扑结构层次越多，毛细管尺寸越小，毛 虽然硅烷纳米粒子中较长的烷基链具有足够的拒水
细管力越大 [29-30] ，防渗透性越好。水在纸张中的渗 性，但是涂在表面后不能成膜，水滴可以通过纳米
透及影响因素 [31] 主要是扩散原理 [32] ，包括以下过 粒子之间的间隙很容易渗透；在 10~20 min 内，图
程：（1）水在片层表面，通过毛细管力渗透；（2） 7b 涂覆单一聚乳酸溶液的纸接触角降速为 9.5(º)/min，
水分子在纤维结构壁扩散；（3）纤维内部的扩散； 接触角下降较为平缓，源自聚乳酸成膜性较好；而
（4）气态水分子在纤维间传输 [33] 。上述涉及水渗透 图 7c 涂覆疏水硅烷纳米粒子/聚乳酸复合防水涂料
的这几个过程的速度主要取决于表面化合物的表面 的纸接触角降速仅为 0.8(º)/min，下降最为平缓，表
能、渗透压和拓扑结构等。 明聚乳酸优异的成膜性和硅烷纳米粒子的多级拓扑
