基于矿物的超疏水材料制备及耐磨耐久性能增强研究

摘要

超疏水性这种特殊的润湿性能不仅能赋予固体表面优异的拒水性，而且在金属表面的防腐，建筑表面的防污和耐微生物腐蚀等领域具有巨大的应用前景。目前，大部分超疏水表面由于其微纳米结构机械性能较差，其表面结构脆弱，常常会由于外力的冲击或外界的摩擦等机械作用而受到破坏，有些甚至用手指轻轻触碰，表面结构就被破坏，失去其超疏水性。因此，提高超疏水表面的耐磨耐久性对其在各个领域的广泛应用有着非常重要的意义。
　　本文旨在探讨基于矿物原料，采用简单、低成本的方法制备出超疏水性能优异、耐磨耐久性好、机械性能稳定的超疏水材料，以期为超疏水材料的实际应用提供有益数据和科学依据。
　　本论文主要研究内容如下：
　　(1)以石英砂颗粒为原料，采用聚合物固化法，将石英砂和有机硅氧烷有机聚合，在不同基板上制备机械性能良好的超疏水聚合物复合材料。制得的材料具有超疏水性，水接触角为158±10°。SEM观测发现，材料表面的多孔结构使表面形成了微纳米二元复合的粗糙形貌，而且摩擦测试后表面出现明显的划痕。此外，材料可以承受6H铅笔硬度试验，并且在浸泡测试和极端环境测试后也能保持稳定的超疏水性。最后，对材料进行自清洁测试，结果表明材料具有良好的自清洁能力。
　　(2)以石英砂颗粒为原料，使用二甲基二乙氧基硅烷对其改性降低其表面能，再加入机械性能稳定的聚氯乙烯(PVC)，在不同基板上制备性能稳定并可回收利用的超疏水材料。制得的材料不仅具有较高的水接触角，而且经过多项严苛测试后表明材料具有较好的化学稳定性和机械耐久性。材料可以经受5H的铅笔硬度测试，并且在负载500 g砝码下承受500 cm机械磨损仍能保持良好的超疏水性。此外，超疏水材料的碎屑可以重新溶解回收利用制备新的超疏水材料。
　　(3)使用简单且低成本的滴涂法，由硬脂酸改性的高岭土颗粒和聚氯乙烯(PVC)制备机械稳定并可回收利用的超疏水材料。制得的材料对水以及日常生活中其他几种液体，如橙汁、咖啡、牛奶、可乐和墨水等都表现出超疏液性。制得的超疏水材料分别在负载500 g条件下经60次磨损循环，经过7天uv照射和120 min超声震荡测试后，仍能保持其超疏水性能。更重要的是，制得的超疏水材料可以再循环使用，而不会失去其超疏水性。
　　(4)以水镁石颗粒为原料，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对其进行改性降低表面能，然后与疏水性二氧化硅颗粒混合，采用聚合物固化法，将颗粒与有机硅氧烷有机聚合，在不同基板上制备机械性能稳定的超疏水复合材料。制得的超疏水材料水接触角大于150°、滑动角小于8°，具有优异的超疏水性能，同时该超疏水材料还具有优良的耐腐蚀性、稳定性、在紫外照射下良好的耐久性以及优异的自清洁性能。我们制备出的超疏水材料还可以分离油水混合物，分离效率在90%以上。此外，从制得的超疏水材料上刮下的水镁石粉末可以循环使用来制备新的超疏水材料。

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