超疏水涂层是一种具有特殊表面浸润性质的新型涂层,具有拒水、自清洁、抗冰覆、抗菌、减阻、防腐蚀和抗粘附等重要特性,可广泛应用于人们生活的各个方面。本文以疏水型水性聚氨酯为基底材料,以纳米材料构筑表面粗糙结构,制备了三种性能优异的超疏水表面。首先采用低聚物二元醇、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二羟甲基丙酸(DMPA)为主要原料,氨乙基氨丙基聚二甲基硅氧烷(AEAPS)为改性剂,制备了一系列有机硅改性的水性聚氨酯乳液(SiWPU)。探究了不同类型低聚物二元醇对水性聚氨酯(WPU)胶膜疏水性能的影响,并重点讨论了AEAPS用量对SiWPU乳液及胶膜性能的影响。采用傅里叶红外变换光谱(FT-IR)、热重分析仪(TG)、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对SiWPU进行了结构表征。结果显示:采用聚四氢呋喃二醇为软段材料,w(AEAPS)为6%(以聚氨酯预聚体质量计),所制备的SiWPU乳液及胶膜各项性能较佳。与未改性的WPU胶膜相比,Si WPU胶膜的表面疏水性、耐水性、力学性能、热稳定性明显提高,相分离程度变大;XRD测试结果表明:AEAPS的加入导致WPU的结晶能力下降。其次,将Si WPU与多壁碳纳米管(MWCNTs)相结合,采用从源头控制污染的新技术体系制备了具有“Si WPU-MWCNTs-SiWPU”三明治结构的超疏水导电涂层。为改善MWCNTs在乙醇溶剂中的分散性和稳定性,先采用十八胺(ODA)对其修饰,通过FT-IR、TG、XPS、核磁共振氢谱、透射电镜(TEM)和稳定性分析仪等对其结构及性能进行了表征,结果表明:十八胺接枝到了MWCNTs上,接枝率为10.97%,且改性后的MWCNTs可以稳定地分散在乙醇中,团聚现象得到有效改善。考察了复合涂层的表面微观形貌、浸润性、电学性能、通电发热特性、机械稳定性及耐紫外线性能。结果显示:复合涂层表面形成鸟巢状的微纳米级阶层结构,静态接触角达到158.1±2.0°且滚动角小于1°;超疏水导电涂层的方块电阻为1.1±0.1 kΩ/sq,导电性能优异,同时具有通电发热特性;此外,该超疏水导电涂层表现出较好的机械稳定性和耐紫外线特性,有望应用于室外苛刻条件下的除冰系统。再次,将十八胺修饰的多壁碳纳米管(MWCNTs-ODA)与Si WPU在丙酮溶剂中共混,喷涂到铜网制备了一种耐腐蚀超疏水铜网,并应用于油水分离。SEM和接触角测试结果表明:铜网经处理后在其表面形成鸟巢状的微纳米阶层结构,水接触角达到162.3±1.2°而油(煤油)接触角接近0°。油水分离测试结果表明,该超疏水铜网可对石油醚/水、四氯化碳/水、甲苯/水、己烷/水、煤油/水等油水混合物高效分离,分离效率均大于93.79%,且具有良好的可循环使用性。耐腐蚀性测试结果表明,该超疏水铜网分别在1mol/L的NaOH、HCl、NaCl溶液中浸泡24 h后,仍可保持超疏水特性,具有优异的耐腐蚀性能。最后,将疏水纳米二氧化硅引入到SiWPU体系,喷涂到铜网制备了一种可拒热水且具有良好机械稳定性能的超疏水铜网,并应用于高达100℃的油水混合物的分离。SEM和接触角测试结果表明:铜网经处理后,表面形成的粗糙结构具有大量微孔,固态相率极低,水接触角达到162.5±1.4°,滚动角小于0.4°,甚至在温度高于55℃的热水中仍表现出优异的拒水特性。油水分离实验结果表明,该超疏水铜网可对石油醚/水、四氯化碳/水、甲苯/水、己烷/水、煤油/水等油水混合物高效分离,分离效率均大于93.71%,且可循环使用性良好。
