硅橡胶超疏水表面的制备及其性能研究

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仿生表面的超疏水材料因其具有抗腐蚀、抗结冰、抗污和自清洁等优异性能和广泛的应用前景而受到很多科研工作者的广泛关注。他们通过改变固体表面的微观粗糙结构和低表面的自由能,来设计及制备了具有简单而高效的超润湿材料。而时兴的硅橡胶基底以其具有优异的耐磨性和高弹性,将其制备成超疏水表面而应用到复合绝缘子,可以有效提高超疏水表面(超疏水表面是指水滴的静态接触角大于150°且滚动角小于10°)的耐磨性能,从而延长其使用寿命。因此,本文从仿生的理念出发,制备出了两种具有特殊润湿性功能表面的硅橡胶涂层,并对其功能进行了系统的研究。基于现有的Young模型、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型以及Wenzel-Cassie过渡态模型等对其分形表面的接触角进行了理论分析,得到了分型表面接触角公式,为硅橡胶超疏水涂层表面的制备提供了理论依据。以FXBW4-110/100型复合绝缘子上的硅橡胶为研究对象,在表面制备了超疏水HMDS-SiO2硅橡胶涂层和超疏水Mg(OH)2-STA硅橡胶功能化涂层。通过形成随机的微纳米级结构来改变表面的疏水性能。利用接触角测量仪来对磨损循环试验和抗弯曲试验后的接触角和滚动角的进行测量,进而研究涂层的机械稳定性。借助自制加载电压装置,对硅橡胶的抗高压性能进行了探索。初步探究了超疏水材料的抗结冰、耐高温、抗紫外和耐酸碱等性能。通过应用扫描电子显微镜、超景深三维显微系统、透射电子显微镜等对超疏水硅橡胶涂层的表面形貌进行宏观与微观的分析。为了对表面形貌进行三维形貌表征,引入分形维数这一表征方式。对采用扫描电子显微镜获得的试样表面进行了图像重构,基于重构的基础上运用盒维数计算了超疏水涂层的分形维数,并对修饰剂硬脂酸为变量的试样进行了分形维数和接触角的综合分析。研究结果表明:计算得到在不同硬脂酸含量条件下分形维数数值均介于2与3之间,说明该表面是一个介于光洁的平面和规则长方体的复杂表面。在同一张SEM图的3个不同区域所求的分形维数数值近似相等,表明3个不同区域表面形貌的不规则程度具有一致性,更进一步说明所制备的超疏水功能表面具备分形特征。结果是超疏水Mg(OH)2-STA硅橡胶涂层的接触角随着分形维数的增加而增加。而所测定的超疏水功能表面的润湿性和表面分形维数有关,若分形维数越大,其表面越粗糙,接触角越大,水滴与涂层表面接触的面积百分比越小,表面形貌越复杂。
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