高耐磨超疏水高分子复合涂层设计、制备和性能研究

摘要

疏水表面是指与水的接触角大于90°的表面，超疏水表面则是指与水的接触角大于150°、滚动角小于10°的表面。超疏水表面在自清洁、防水、防冰等方面具有广阔的应用前景。提高耐磨性是超疏水表面工程的研究热点和难点。针对大型风电叶片、飞机机翼等大型复合材料结构抗冰实际需求，研究耐磨性能好的超疏水涂层具有很重要的应用价值。
　　本文采用耐磨性好、具有本征疏水特性的二氧化铈微纳粒子和氟硅丙改性聚氨酯树脂，设计新型超疏水涂层配方，采用工艺简单、条件易控的流延法和喷涂法在玻纤/环氧树脂复合材料基板上制备超疏水涂层。配方设计主要考虑不同粒径纳米粒子及其组合与树脂和稀释剂的配比优化问题。重点研究了10μm、1μm和100nm粒径的CeO2粒子的不同含量以及微米和纳米粒子组合对超疏水涂层疏水性和耐磨性的影响，分析了超疏水涂层的微观结构特点，优化了超疏水涂层配方。
　　首先，将不同粒径的CeO2粒子分别与氟硅丙改性聚氨酯树脂和稀释剂按照不同的配比均匀混合，制成高分子复合涂料。采用流延法和喷涂法在基板上制备超疏水涂层，测试水珠接触角，找出最优配比。研究表明，喷涂法制备的复合涂层的接触角为148.88°，流延法制备的复合涂层的接触角为145.41°，均显示出良好的疏水性能。
　　其次，在最优配比的基础上研究微米纳米组合粒径对超疏水涂层性能的影响。进一步优化涂层的超疏水性能之后，采用落沙法测试复合涂层的耐磨性。流延法制备的10μm粒子复合涂层的耐磨性最好，优于使用喷涂法工艺和其他粒径制备的复合涂层。最好的涂层配方为树脂与粒子和稀释剂之比为0.5:0.5:1.5。
　　最后，采用扫描电镜对不同配方、不同工艺制备的复合涂层表面微观形貌进行观察与分析。所制备的复合涂层样品表面均能构筑微纳二元结构，具有较好的疏水性能。复合涂层在经过落沙冲击磨损后，包覆在粒子外面的表层树脂受到一定程度的破坏，粒子由树脂团里裸露出来，反而更好的构筑微纳二元结构，使得疏水性能进一步提升，涂层持续磨损后的接触角一直保持在150°以上。研究进一步发现，只要涂层未被磨穿则一直保持良好的超疏水效果，这个发现有利于通过涂层厚度来调控超疏水涂层的耐磨能力。

目录

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第一章 绪论

1.1 高耐磨超疏水高分子复合涂层研究背景

1.2 超疏水表面的研究现状

1.3 本文的研究内容、方法及技术路线

第二章 实验方法与配方设计

2.1 实验材料

2.2 主要仪器与设备

2.3 高耐磨超疏水高分子复合涂料配方设计

2.4 涂层制备方法

2.5 分析与表征

第三章 流延法制备CeO2/F-PU涂层的疏水性能研究

3.1 CeO2/F-PU复合涂层的疏水性能

3.2 复合涂层SEM表征

3.3 本章小结

第四章 喷涂法CeO2/F-PU涂层的疏水性能研究

4.1 CeO2/F-PU复合涂层的疏水性能

4.2 复合涂层SEM表征

4.3 本章小结

第五章 CeO2/F-PU疏水涂层的耐磨性能研究

5.1 落沙实验

5.2 磨损涂层SEM表征

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果