【摘 要】
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润湿性是材料表面性能的重要组成。自然界中有很多生物体具有不同润湿性,人们从中获得灵感,并且对其表面展开深入研究。研究过程发现,具有特殊润湿性的生物表面除了具备疏水或超疏水特性之外,同时还具备其它的功能性,包括自清洁、防污、防冰、防腐蚀和油水分离等。因此根据不同的生产需求开发具有功能性的表面具有重要的研究价值和意义。目前,传统制备具有特殊润湿性功能表面的方法普遍存在成本高、制备过程复杂、技术不成熟、
【基金项目】
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国防基础科研项目(JCKY2019110D024); 国家自然基金创新群体项目(52021003); 国家自然科学基金面上项目(51775231);
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润湿性是材料表面性能的重要组成。自然界中有很多生物体具有不同润湿性,人们从中获得灵感,并且对其表面展开深入研究。研究过程发现,具有特殊润湿性的生物表面除了具备疏水或超疏水特性之外,同时还具备其它的功能性,包括自清洁、防污、防冰、防腐蚀和油水分离等。因此根据不同的生产需求开发具有功能性的表面具有重要的研究价值和意义。目前,传统制备具有特殊润湿性功能表面的方法普遍存在成本高、制备过程复杂、技术不成熟、性能不稳定和环境污染等缺点,严重制约了润湿性表面在生产和生活中的应用。本文采用简单、低成本和稳定高效的气动喷涂方法,分别设计制备仿生石墨烯防腐蚀涂层、多功能超疏水涂层和水性超疏水涂层。针对海洋环境下的金属腐蚀防护问题,采用一步喷涂的方式将防腐蚀涂料涂装到金属基底表面,制备了具有疏水特性的仿生石墨烯防腐蚀涂层,该涂层具有优异的耐腐蚀特性、较好的结合力等级和硬度等级,同时具备一定的自清洁性能。所采用的喷涂涂装工艺不但可以摆脱对基底形状和面积的限制,并且操作简单,适合大规模现场施工。通过形貌观察可以看出,涂层的表面平整光滑,水接触角达到了105°,并且展现出良好的自清洁效果。涂层硬度可达4H,结合力在2级以上,中性盐雾试验时间超过173天(4152h),动电位极化曲线中腐蚀电流密度下降超过2个数量级。除此之外,通过添加不同颜色的氧化铁系颜料可以调整涂料的颜色,以满足在生产生活应用中对于外观颜色的要求。受自然界中具有特殊润湿性生物体表特征的启发,使用十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)对三聚氰胺磷酸盐(MPP)和双季戊四醇(DPER)微米粒子进行疏水修饰,加入纳米级Si O2混配喷涂制备了具有微纳米结构的超疏水表面。该涂层表面的接触角为161.5°,滚动角为3.2°。综合微观形貌分析和化学成分分析表明,涂层所具有的超疏水特性是由微观结构和化学成分共同决定的。采用同样的喷涂方式在不同的硬质(马口铁、铜网、玻璃片)和软质(A4纸、棉织物)基底上制备的涂层均具备超疏水特性。经过3m的砂纸摩擦磨损实验以及p H=1和p H=14的酸碱浸泡5天之后,涂层表面的水接触角仍然在150°以上,展现出优异的机械耐久性和化学稳定性。此外,涂层具有优异的自清洁性能、防污的性能和高效稳定的油-水分离能力,其中对于油-水混合溶液以及1mol L-1的酸碱环境下油-水混合溶液的分离效率都高于95%;涂层还具有优异的防冰性能和防腐蚀性能,相对于空白基底将表面水滴的结冰时间延长了250s,超疏水涂层对于基底的腐蚀保护效率大于98.1%;除此之外,喷涂超疏水涂层的棉织物具备阻燃和离火自熄的能力。结合前期的研究,进一步采用去离子水作为溶剂,添加水性环氧树脂、十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)改性的Ti O2、商用疏水性Si O2以及聚四氟乙烯水溶液,同样采用气动喷涂的方式在马口铁上制备了水性超疏水涂层。微观形貌观察到该水性超疏水涂层表面呈现片层、颗粒状以及丝状的复合粗糙结构,涂层表面的水接触角为163.5°,滚动角为3°。经过12m的砂纸摩擦磨损实验、p H=1和p H=14的酸碱浸泡实验7天之后,涂层表面接触角仍然在150°以上,具有优异的机械耐久性和化学稳定性。此外,涂覆水性超疏水涂层的玻璃片和铜网分别展现出优异的自清洁能力和油水分离的能力(油水分离效率在95%以上)。
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