Page 121 - 《精细化工》2021年第10期
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第 10 期                    朱文澄，等: PE 基聚硅氧烷/改性 SiO 2 超疏水薄膜的构筑                             ·2051·


                                                                      2
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                 超疏水材料一直是功能材料领域的研究热点和                          度1.0×10 ~1.0×10  mPa·s〕，PMHS（含氢量15.1 mmol/g），
            重点，如何可控构筑结构规整、功能确切的超疏水                             工业级，浙江恒业成有机硅有限公司；Karstedt 催
                                                [1]
            材料表面一直是当前研究者关注的重心 。超疏水                             化剂（Pt 质量分数约 7%，溶剂为二甲苯），实验室
                                                  [2]
            材料具有自清洁、非润湿和防腐蚀等优点 ，可广                             自制；PE 薄膜，厚度 0.4 mm，天津鑫达盛瑞公司。
                                     [4]
                                             [5]
                             [3]
            泛应用于油水分离 、抗菌 、防污 、防结冰                      [6-7] 、     S-4800 型扫描电子显微镜（SEM），日本 Hitachi
                       [8]
            表面自清洁 等领域。超疏水表面的构筑方法包括                             公司；Nicolet iS5 型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），
            模板法、层层组装法、化学气相沉积法、等离子体                             美国 Thermo 公司；600 M 固体核磁共振波谱仪，美
            法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法、电化学法等                     [9-10] 。  国 Agilent 公司；STA 449F3 型热重分析仪（TGA），
            但上述制备方法存在原料成本过高、设备昂贵、应                             德国 Netzsch 公司；JC200D2 型接触角测量仪，上
            用性能较差等缺点         [11] 。因此，筛选合适的材料，探                海中辰数字技术设备有限公司；MultiMode 8 SPM
            索操作方便、重复性好、可工业化合成的制备方法                             型原子力显微镜（AFM），美国 Bruker 公司；BGD528
            极为重要。                                              型万能耐磨仪，广州标格达实验室仪器用品有限公司。
                 已报道的超疏水表面构筑工作大部分是基于极                          1.2   方法
            性基材（如玻璃        [12] 、极性织物   [13] 等），在非极性基          1.2.1   疏水改性纳米 SiO 2 的制备
            材上实现超疏水特性的研究还比较少。聚乙烯（PE）                               取 50 mL 无水乙醇、0.5 g 亲水性气相纳米 SiO 2
            作为一种典型的非极性材料，相对于其他高分子材                             和 2.5 mL 氨水于 100 mL 双口烧瓶中，在 60  ℃下
            料，拥有更低的表面能和润湿性，是一种常用的疏                             搅拌 30 min，随后逐滴加入 0.5 mL  偶联剂 OTMS，
            水性高分子材料。如果将 PE 表面超疏水化处理，可                          在 700 r/min 转速下继续搅拌 12 h，得到白色悬浮液。
            以通过表面处理       [14] 、接枝改性  [15] 、表面涂覆  [16] 等手段     以 6.0×10  r/min 转速离心 10 min，用无水乙醇洗涤
                                                                       3
            降低表面能来实现表面自清洁，提高室外用品的抗                             至中性，离心分离后的样品在–40  ℃下冷冻干燥
            污性，降低人工清洗的支出，也可以提高包装材料
                                                               24 h，得到白色粉末，研磨得到疏水改性纳米 SiO 2
            的重复利用性，减少易黏附在包装材料表面的液体（如                           粒子，记为 OTMS-SiO 2 ，备用。
            酸奶）而造成的浪费。有机硅树脂是具有高度支链型                                1 HNMR (400 MHz, CDCl 3 ),  δ:  7.26 (s, CDCl 3 ),
            结构的聚硅氧烷，具有耐高低温、电绝缘性、耐候性                            1.53 (s, 7H), 1.25 (s, 6H), 0.83 (s, 4H), 0.00 (s, 143H)
            等优点，被广泛应用于功能性涂层中                [17] 。同时，有机        1.2.2   复合涂层的制备
            硅树脂的临界表面张力（20~24 mN/m）明显低于其                            将 PE 薄膜剪成 100 mm×100 mm 的正方形小
            他树脂，仅略高于含氟树脂（<20 mN/m）                [18] ，但含     块，用无水乙醇和去离子水清洗后，50  ℃干燥备用。
            氟树脂成本较高，因而可选用有机硅树脂作为超疏                             5 g PMHS 和 Vi-PDMS 以 100∶6 的质量比混合，随
            水涂层的成膜物质。                                          后逐滴加入 0.4 g Karstedt 催化剂，继续超声分散
                 基于以上思路，本文将疏水长链烷基硅氧烷偶                          10 min 获得有机硅树脂，取 1 mL 滴到预处理好的
            联剂改性的纳米 SiO 2 粒子均匀添加到乙烯基硅油                         基材上，并用线棒涂布器滚涂，得到均匀透明的涂
            （Vi-PDMS）与聚甲基氢硅氧烷（PMHS）中，然                         膜，将 0.4 g OTMS-SiO 2 分散到 5 g 正己烷中，超声
            后将其在 PE 薄膜表面上固化来构筑具有微观表面                           分散 15 min 后，在磁力搅拌器上搅拌 1 h，得到
            粗糙结构的超疏水功能复合涂层，探究 PE 表面超                           OTMS- SiO 2 分散液。采用喷涂工艺，喷速 7 L/min，
            疏水复合涂层的应用性能。以期获得具有良好耐磨                             喷枪距离膜 150 mm，喷涂时间 20 s，分多次将该分
            性的超疏水涂层，为在非极性基材上实现超疏水特                             散液全部均匀喷在有机硅基层上，然后置于 60  ℃
            性提供理论支撑。                                           烘箱中加热固化交联 10 h，得到有机硅树脂（SI）
                                                               /SiO 2 涂层（SI/OTMS-SiO 2 ），记为复合涂层 S3。
            1   实验部分
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            1.1   试剂与仪器                                        的条件下，只需改变 OTMS-SiO 2 的添加量〔以正己
                 十八烷基三甲氧基硅烷（OTMS）、无水乙醇、                        烷的质量计，下同〕，OTMS-SiO 2 的添加量为 0、4%、
            正己烷，分析纯，氨水（质量分数 28%），亲水性气                          12%样品的分别记为复合涂层 S1、S2、S4。
            相纳米 SiO 2 〔150 型，质量分数 99.8%，比表面积                   1.3   结构表征与性能测试
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            （BET）：150 m /g，粒径：7~40 nm〕，上海阿拉丁                   1.3.1   表征
                                                                                                    1
            试剂股份有 限公司； Vi-PDMS 〔相 对分子质量                            FTIR 测试：用溴化钾压片法制样。 HNMR、
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            (0.5~4.0)×10 ，乙烯基含量 0.3470~0.0592 mmol/g，黏         29 SiNMR 测试：以 CDCl 3 为溶剂在核磁共振波谱仪
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