Page 117 - 《精细化工》2023年第8期

第 8 期 罗帅帅，等: 不同晶型 CaCO 3 表面改性及 CaCO 3 /PDMS 超疏水涂层的制备 ·1731·

CaCO 3 接触角及形貌的影响分析可知，为了达到最 接触角变大。而 CaCO 3 纳米颗粒堆积过多时，涂膜
好的疏水效果，选择 NaOL 添加量为 5%的改性方解 表面凸起变大会使得表面顶部变得扁平，困在表面
石型 CaCO 3 和 NaSt 添加量为 5%的改性文石型 结构中的空气减少，涂层表面的接触角会随之减小 [36] 。
CaCO 3 作为最优填料，进行涂层性能测试。两种填 2.2.2 涂层的表面形貌分析
料的平均粒径及接触角如表 1 所示。 为了进一步探究不同晶型改性 CaCO 3 对涂层接
触角的影响，运用 SEM 对超疏水涂层（以 A3 和 B3
表 1 涂层用 CaCO 3 粉体的基本参数 为例）的表面微观形貌进行表征，结果如图 4 所示。
Table 1 Basic parameters of CaCO 3 powder for coating

改性 CaCO 3 形貌 尺度/μm 接触角/(°)
方解石型 花棒状 10 115.4
文石型 链棒状 3 127.5

2.2.1 CaCO 3 添加量对涂层接触角的影响
不同改性 CaCO 3 用量制备的 CaCO 3 /PDMS 超疏
水涂层的水接触角列于表 2。可以看出，未添加
CaCO 3 的空白对照组 PDMS 涂层接触角为 104.8°。
随着 CaCO 3 添加量的增加，CaCO 3 /PDMS 涂层表面
水接触角呈先升后降的趋势；当 CaCO 3 添加量为 1.5 g，
即 CaCO 3 和 PDMS 质量比为 1.5∶1 时，A3（方解石

型）和 B3（文石型）涂层的接触角都达到最大值，
a—PDMS 空白组；b—改性方解石型 CaCO 3/PDMS；c—改性文
此时 A3 涂层表面接触角为 151.4°，B3 涂层接触角 石型 CaCO 3/PDMS
为 153.2°，均>150°，涂层具备超疏水性。当涂层中 图 4 不同涂层表面的 SEM 图
CaCO 3 增至 2.0 g 时，涂层疏水性变差，但接触角仍 Fig. 4 Surface SEM images of different coatings
保持在 140°以上。
从图 4 可以看到，未添加 CaCO 3 的 PDMS 涂层
表 2 不同涂层的水接触角（°） 表面光滑平整，添加改性 CaCO 3 粉体的涂层表面明
Table 2 Water contact angle of different coatings (°) 显粗糙。这些颗粒的随机排列造成涂层表面存在凹
CaCO 3 添加量/g 陷、凸起，形成了树突“凹槽”状形貌，赋予了涂

0 0.5 1.0 1.5 2.0
层表面一定的粗糙度。在自然条件下，这些凹槽中
PDMS 104.8 — — — —
会存在空气，当液滴处于超疏水涂层表面时，会形
方解石型 — 122.8 138.2 151.4 143.4 成固-液-气接触面，减小了固-液接触面积，根据
CaCO 3/PDMS [37]
文石型 CaCO 3/ — 128.4 141.7 153.2 148.0 Cassie-Baxter 的模型理论 ，液体悬浮在粗糙表面
PDMS 上，即当液滴位于固体的复合表面和材料之间的气
注：“—”代表未添加。 隙上时，空气被困在粗糙表面上的空腔中，形成固-
液-气的复合界面，这时在整个液-气界面上，液-固
通过对比发现，B 类涂层较 A 类涂层的疏水性
表面积最小。固体表面粗糙结构中的“凹槽”中存
要好，这可能是因为文石型 CaCO 3 的颗粒尺度比方
留空气所形成的“空气垫”足够多时，接触角会大于
解石型 CaCO 3 小。当涂层表面的微纳米层次结构
150°，达到超疏水状态，从而使得液滴可以竖立在涂
所能捕获的空气越多时，涂层表面的接触角也就越
大 [32-34] 。微纳米 CaCO 3 颗粒添加量较少时，CaCO 3 / 层表面 [38] 。WANG 等 [39] 利用改性 CaCO 3 粉体与聚四
氟乙烯（PTFE）颗粒混炼后喷涂在铝基层板上得到
PDMS 涂层表面相对平坦，只能捕获少量空气，水
滴落在涂层表面时，会渗透到表面结构中，接触区 PTFE/CaCO 3 超疏水复合涂层，္ࢣൕਔ֒၁ุࢤԨ
域会形成 Wenzel 状态。随着颗粒含量的增加，涂层 ֞๰Ҫі૫ൈđ၁ุაі૫ᆭࡗႵగุۯ֓đ္߶
表面变得更加粗糙，更多的空气被困在表面结构中， ᄹն၁ุࢤԨ֥࢘หྟ。
水滴落在表面时，会竖立在微结构上，接触面积会 将亚甲基蓝、甲基红（MR）、电池黑粉（BP）
形成 Cassie-Baxter 态，表面变得疏水。而这也与 和孔雀石绿（ MG ）水溶液滴在改性方解石型
YUAN 等 [35] 的研究结果接近，当微小结构增多时， CaCO 3 /PDMS 超疏水涂层（A3）上，结果见图 5，
更多的空气会被困在凹槽中，从而导致涂层表面的 可以看出液滴均可竖立在涂层表面。