POSS基杂化含氟丙烯酸酯共聚物涂膜的表面相分离与疏水性研究

采用自由基溶液聚合法成功合成了多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)基杂化含氟丙烯酸酯共聚物,并采用核磁共振仪(NMR)和凝胶渗透色谱仪(GPC)表征了共聚物,其中POSS和含氟单体分步加入到反应中.首先将共聚物溶解到三氟三氯乙烷(F113)和乙酸乙酯的混合溶剂中配制成溶液,然后通过直接在玻璃片上滴落共聚物溶液制备了共聚物涂膜.采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和接触角测量仪考察了F113和乙酸乙酯的配比对共聚物涂膜表面形貌、表面元素组成、表面粗糙度以及表面疏水性的影响.实验数据表明POSS在表面能够聚集成纳米颗粒并能极大增强涂膜表面粗糙度和疏水性.共聚物表面同时存在POSS聚集与有机相微相分离两类相分离行为,并形成了复合粗糙结构.虽然POSS和含氟段竞争迁移到表面,但是随着混合溶剂中F113的增多,涂膜表面含氟量越来越多,同时POSS在表面的聚集体越来越少,表面平均粗糙度越来越小,最终涂膜的疏水性越来越强,这说明F113有助于提升氟的趋表迁移能力,使涂膜表面含氟链段占据较多的表面空间,从而抑制了POSS在表面聚集分布.当使用纯F113作为溶剂时,共聚物涂膜的表面氟含量为45.25%,平均粗糙度为93.4 nm,此时静态水接触角最大为135.0?,表现出优异的疏水性.     

含氟硅丙烯酸酯乳液超疏水膜中疏水基团的梯度分布与表面微观结构研究

利用含氟疏水基团的梯度分布,结合草莓形纳米SiO2粒子提供的双重粗糙表面,制备了具有类"荷叶效应"的超疏水涂膜,水接触角达(174.2±2)°,滞后角几乎接近0°.通过原子力显微镜、扫描电镜和水接触角的测试对膜表面形貌及疏水性能进行了表征;探讨了其表面微观结构与表面疏水性能的关系.草莓形复合粒子在膜表面的无规则排列赋予涂膜表面不同等级的粗糙度,使水滴与涂膜表面接触时能够形成高的空气捕捉率,这种微观结构与疏水基团的梯度分布相结合,赋予了含氟硅丙烯酸酯乳液涂膜表面超疏水性能.     

优化含氟丙烯酸酯共聚物乳胶膜表面性能的方法研究

含氟丙烯酸酯乳液由于氟的引入具有优异的表面性能,在涂料、胶粘剂、纺织助剂等领域得到广泛应用.然而含氟单体成本较高,而且产物中乳化剂的存在影响了含氟丙烯酸酯乳液涂膜的抗污、疏水疏油等特性.如何采取有效措施提高含氟丙烯酸酯共聚物乳胶膜的表面性能,是其走向产业化急需解决的问题.针对这方面问题,本文主要从含氟单体的利用率、设计乳胶粒结构、共聚物链结构以及乳胶膜的后处理等方面对近年来的研究成果进行了综述.     

含长氟链丙烯酸酯共聚物的合成及应用展望

采用传统自由基共聚合方法合成了新型的含氟大分子单体PFMA-MA,并将其与甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸异丁酯(IBA)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTS)进行自由基共聚合成了长氟链丙烯酸酯共聚物(ACLC)。对该聚合物的表面性能以及本体性能进行了研究。结果表明,少量的PFMA-MA便可使得到的共聚物ACLC的憎水性大幅度提高。通过X射线光电子能谱(XPS)研究大幅提高憎水性的机理,结果表明ACLC中的长氟链段具有强烈的迁移特性,氟原子富集于表面,使得材料憎水性得到提高。ACLC具有优异的附着力、硬度和低吸水率。含长氟侧链梳形丙烯酸酯共聚物有望应用在疏水、防水涂层材料等领域。     

复合SiO2粒子涂膜表面结构及超疏水性能

采用溶胶-凝胶法制备不同粒径SiO₂粒子，通过表面改性得到不同形状复合粒子，并利用氟硅氧烷的表面自组装功能制备了具有“荷叶效应”的超疏水涂膜。通过原子力显微镜、扫描电镜和水接触角的测试对膜结构及性能进行了表征，探讨了SiO₂粒子的粒径和形状与表面微观结构、表面粗糙度和表面疏水性能的关系。结果表明含单一粒径粒子涂膜表面水接触角符合Wenzel模型，而复合粒子构成了符合Cassie模型的非均相界面;单纯的粗糙度因子不能反映水接触角的变化，复合粒子在膜表面的无规则排列赋予涂膜表面不同等级的粗糙度，使得水滴与涂膜表面接触时能够形成高的空气捕捉率和较小的粗糙度因子;其与在涂膜表面能形成自组装分子膜的氟硅氧烷共同作用赋予了涂膜超疏水性能，而这种超疏水性能与复合粒子的粒径大小和形状基本无关。     

含氟丙烯酸酯共聚物制备超疏水表面及其形成机理的研究

以丙烯酸全氟烷基乙基酯和甲基丙烯酸甲酯为共聚单体, 分别以用微乳液聚合法和溶液聚合法制备的无规共聚物和用可逆加成-断裂链转移制备的嵌段共聚物作为成膜共聚物, 并以1,1,2-三氟三氯乙烷作为溶剂, 采用溶剂挥发成膜法可以直接制备出超疏水膜, 聚合物膜对水的接触角可达160°. 改变聚合物结构和成膜条件, 探讨了该类超疏水膜的形成机理和影响因素. 发现膜的表面形貌和疏水性与共聚物的组成、结构、分子量以及成膜条件密切相关, 随着共聚物中氟含量的增大, 膜的表面形貌都趋于平滑; 而且, 无规共聚物比嵌段共聚物更易形成粗糙度好的膜; 同时, 较大的聚合物分子量和适宜的高的成膜温度都对形成粗糙结构有利.     

含氟丙烯酸酯共聚物表面性能的稳定化研究

为提高传统含氟丙烯酸酯乳胶膜表面性能的稳定性,以γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(MPS)作为可交联单体,采用细乳液聚合法合成了MPS改性的含氟丙烯酸酯共聚物,利用DLS、TEM、IR对聚合物进行表征,研究了MPS对合成乳液的稳定性、涂膜性能和膜表面接触角稳定性的影响。结果表明,细乳液聚合法适合用于对水敏感单体的聚合,合成的纯丙烯酸酯乳胶为球形结构,平均粒径为92 nm,而氟丙乳胶和含3%MPS的含硅氟丙乳胶形成了典型的核壳结构,平均粒径分别增大至107 nm和103 nm,含硅氟丙聚合物中存在Si-O-Si的交联结构。涂膜性能测试表明,MPS的引入增加了共聚物膜的硬度、耐溶剂性和耐水性。接触角测试表明,随MPS用量的增加,乳胶膜对水的初始接触角和动态接触角随时间的降低值均呈先增大后减小的趋势,共聚体系中加入适量MPS,通过含氟链段与MPS链段的协同作用,可显著提高涂膜表面性能的稳定性。     

纳米二氧化硅粒子对聚氯乙烯膜的表面结构及浸润性能的调控作用

报道了一种简便的调控聚合物材料表面结构及浸润性能的方法.利用流延成膜和纳米二氧化硅粒子的印迹修饰作用,制备出3种具有不同表面结构的聚氯乙烯(PVC)膜,膜的浸润性能表现为与水的接触角从103°的疏水性变为65°的亲水性,再改变至130°的疏水性.扫描电镜结果表明印迹修饰后的PVC膜具有纳米和微米尺寸的凹凸表面结构.通过对比实验证实了溶剂氯仿和NaOH溶液并不影响膜表面的疏水性能.     

氟化嵌段共聚物组成、溶液性质与其固化后的表面结构

采用ATRP技术合成了不同含氟段长度的聚甲基丙烯酸甲酯一b．聚（甲基丙烯酸一2．全氟辛基乙酯）（PMMA144-b-PFMAn）嵌段共聚物．利用接触角、XPS、SFG、表面张力、DLS等技术研究了不同含氟段长度PMMA144-b-PFMAn溶液气／液界面性质、聚合物分子在溶液中的聚集行为与其固化后表面结构与性能．发现含少数几个氟化结构单元的嵌段共聚物就呈现出优异的疏水疏油性．含氟段的增长其表面性能反而下降．对其表面结构进行研究发现,含氟量的增加,使含氟组分在表面富集程度的增加有限,F／C比则随深度的增加而增加．同时全氟烷基在表面的排列有序性下降．当氟化结构单元的长度为10时,共聚物的表面层反而出现了PMMA的链段．原因主要是由于含氟段的长度影响嵌段共聚物分子在溶液中的聚集结构和气／液界面结构,从而影响固化过程中其表面结构的形成．结果表明,高含氟量的聚合物不一定具有优异的表面性能,合适的溶液性质对含氟聚合物表面结构的形成具有重要的影响．     

热处理对超疏水性含氟丙烯酸酯共聚物膜表面性能的影响

以微乳液聚合法和溶液聚合法制备丙烯酸全氟烷基乙基酯和甲基丙烯酸甲酯的共聚物, 以1,1,2-三氟三氯乙烷为溶剂, 采用溶剂挥发成膜法直接制备出超疏水膜, 并研究120 ℃热处理对超疏水膜表面性能的影响. 对于用乳液聚合方法制备的超疏水膜, 随着热处理时间的延长, 滚动角表现出先逐渐增大直至完全不能滚动, 然后重新回复到极小滚动角的特殊变化过程, 而静态接触角只是略微减小, 完全不同于热处理对平滑的含氟聚合物表面接触角的影响. 扫描电镜结果显示, 聚合物膜表面形貌对应出现从微/纳复合粗糙结构到微孔粗化并重新形成微/纳复合多层粗糙结构的变化.     

含氟聚合物修饰碳纳米管及其聚氨酯复合疏水膜的研究

利用羟基碳纳米管上的羟基与2-溴异丁基酰溴之间的简单反应, 在碳纳米管上引入了含溴ATRP引发剂, 并进一步引发含氟丙烯酸酯的ATRP聚合, 从而在碳纳米管表面接枝上了低表面能的含氟聚合物. 红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)和透射电镜(TEM)的研究结果表明碳纳米管与含氟聚合物之间为化学键连接. 以此低表面能聚合物包裹的碳纳米管作为填充粒子, 采用溶液浇铸方法制备了聚氨酯/碳纳米管复合膜, 并利用溶剂四氢呋喃(THF)刻蚀表面获得了不同碳纳米管裸露程度的复合膜材料. 静态接触角测试结果表明, 无论是羟基碳纳米管还是低表面能修饰的碳纳米管均可提高其复合膜的疏水性能, 且其疏水性能随碳纳米管含量的增加而增加; 相同含量时, 含氟聚合物接枝后的碳纳米管使复合膜具有更佳的疏水性能, 膜表面经溶剂刻蚀后可显著提高其疏水性能. 采用扫描电子显微镜(SEM)研究了加入碳纳米管和溶剂刻蚀对聚合物表面微观结构以及材料表面疏水性能的影响. 上述结果表明: 利用接枝聚合物可改变碳纳米管本身的疏水性能, 并可进一步制备新型的具有表面疏水性能的聚合物纳米复合材料.     

两亲接枝共聚物PS-g-N-PEO的合成及表面性能研究——铸膜溶剂及浓度的影响

采用大分子单体法合成了一系列聚苯乙烯接枝壬基酚聚氧乙烯 (PS g NPEO)两亲共聚物 ,采用溶液铸膜法将其在PET表面制膜 ,并利用扫描电子显微镜 (SEM) ,X射线光电子能谱 (XPS) ,衰减全反射红外光谱(ATR)和水接触角 (CA)等手段研究了共聚物组成、铸膜溶剂及浓度对共聚物膜表面形貌、组成及水浸润性能的影响 .结果表明 ,两亲接枝共聚物在不同条件下可形成规则的表面微孔 ,共聚物中NPEO含量越高 ,共聚物膜表面微孔孔径越大 ,对应的水接触角越小 .以THF为铸膜溶剂时 ,制膜浓度越大 ,共聚物膜表面微孔孔径越大 ,对应的水接触角越小 ;而以甲苯为溶剂时 ,制膜浓度对共聚物膜表面形貌影响不大 ,但水接触角要较THF体系显著降低 ,水接触角与浓度关系与THF体系相反 ,制膜浓度越大 ,对应的水接触角越大 .制膜浓度相同时 ,THF作溶剂 ,共聚物膜微孔较大 ,表面亲水组分含量较低 ;以甲苯为溶剂 ,微孔较密 ,表面亲水组分较高 .     

无机盐对氟烷基封端的嵌段共聚物在水相聚集行为的影响

以含氟醇钾盐(NFHO-K )作为引发剂,通过阴离子活性聚合方法合成了氟烷基封端的聚甲基丙烯酸-2-(二甲氨基)乙酯-block-聚甲基丙烯酸-2-(二乙氨基)乙酯嵌段共聚物(NFHO-PDMA-b-PDEA).该共聚物与一般的含氟嵌段共聚物相比,既具有优良的表面活性,又具有较好的溶解性.通过对溶液表面张力的测定,荧光探针法对溶液临界聚集浓度(cac)的测定和透射电子显微镜(TEM)对共聚物在溶液中胶束形态的研究,发现无机盐对共聚物在水溶液中的聚集行为有明显的影响,并可以增强共聚物的表面活性.     

含氟丙烯酸酯-苯乙烯共聚物的制备及其表面性能的研究

研究了聚合工艺、含氟丙烯酸酯类单体种类和用量、苯乙烯和自由基引发剂用量及硅烷偶联剂、催化剂等因素对含氟丙烯酸酯-乙烯共聚物表面性能的影响。结果表明：聚合工艺、含氟丙烯酸酯类单体种类和用量对共聚物表面的憎水性能有显著的影响;采用延时滴加含氟丙烯酸酯类单体可提高共聚物膜表面的憎水性;随含氟丙烯酸酯类单体侧链含氟烷基的链长和氟原子数及含氟单体用量的增加,共聚物水接触角增大,吸水率下降;共聚物薄膜的硬度则与含氟丙烯酸酯类单体中α-取代基、侧链含氟烷基的链长和用量、苯乙烯用量、引发剂浓度等相关;硅烷偶联剂和催化交联剂的加入可提高共聚物薄膜的强度。     

含氟丙烯酸酯聚合物乳胶膜表面性质

采用XPS和界面张力仪分别测定了含氟丙烯酸酯聚合物乳胶膜表面的组成及水在其表面的动态接触角, 并用状态逼近方程模型计算了含氟聚合物乳胶膜的表面张力, 考察了温度对乳胶膜润湿性的影响. 结果表明, 含氟聚合物乳胶膜表层较深处的F 1s信号强度比近表面要弱, 乳胶膜表面张力随表面氟原子浓度增加在一定程度上呈现线性下降；含氟侧链(Rf)较长(碳原子数n＞6)的含氟聚合物, 其表面张力随Rf单元含量增加而下降的趋势显著高于Rf较短(n≤6)的含氟聚合物, 而水在含氟聚合物乳胶膜表面上的后退接触角θr随n增大出现急剧上升, n≥10 时, θr值几乎恒定不再随n增大而改变. 此外, 参与共聚的非氟丙烯酸酯酯基碳链较短时, 水在共聚物乳胶膜表面的θr随氟单元含量增加而增加的趋势更显著；温度超过40 ℃后, 水对聚合物乳胶膜的润湿性随温度上升略有改善.     

超疏水涂膜的研究进展

超疏水涂膜以其独特的性能，在国防、工农业生产和日常生活中有着广泛的应用前景。但目前的制备技术制约了其在建筑外墙涂料等大型设施方面的应用。探索如何采用简单有效的方法构造和调控涂膜的双微观结构，从而获得性能持久优异的超疏水性涂膜，并有效应用于生产和生活的各个方面是这一领域研究的最终目标。本文就超疏水材料表面理论的发展和近几年来超疏水膜制备技术取得的新成果进行了概括，并指出制备超疏水涂膜存在的问题和发展方向。利用表面能极低的含氟材料，将溶胶－凝胶、相分离技术和自组装梯度功能等技术有机结合，获得适宜的表面粗糙度和微观构造，是实现超疏水涂膜工业化生产的可行途径。     

新型含氟环氧单体的合成及其性能的初步研究

由六氟环氧丙烷二聚体、三聚体分别与4-环己烯-1,2-二甲醇反应合成了2种新型的双全氟烷氧基取代的环氧环己烷衍生物（EFPO1和EFPO2）,其结构经FT-IR和1H NMR确证。 与常见全氟烷基型功能单体不同,此类含氟环氧化合物与环氧树脂预聚物具有良好的相容性并且可改善其疏水性能。 初步考察了上述单体对环氧树脂紫外光固化涂料的改性作用,结果表明,随涂料中含氟单体用量的增加,固化膜的初始水接触角线性增大;其中,EFPO2因其含较长的全氟烷氧基团而具有比EFPO1更好的疏水效果。 如加入1%ＥＦＰＯ２时,固化膜接触角为99°,比未添加含氟单体的固化膜大14°,而相同含量ＥＦＰＯ１固化膜接触角为87°。 当ＥＦＰＯ２含量为5%时,固化膜的疏水性能进一步提高,接触角为113°。 此外,固化膜经加热处理（110 ℃,6 h）后疏水性能明显增强,如ＥＦＰＯ２含量为1%～5%时,固化膜经热处理后,接触角由99°~113°提高至113°~118°,ＥＦＰＯ１固化膜经热处理后接触角也由87°~100°提高至99°~110°。 固化膜疏水性能的提高可能是由于经过加热处理,含氟链段向表面迁移。 由此可见,这类含氟单体可作为表面改性剂应用于涂料、油墨和离型材料。     

含氟聚甲基丙烯酸酯/聚异丁烯嵌段共聚物的成膜性质研究

利用氧负离子聚合方法制备含氟聚异丁烯三嵌段共聚物,聚异丁烯-b-聚甲基丙烯酸-2-(N,N-二甲氨基)乙酯-b-聚甲基丙烯酸-(2,2,3,3,4,4,5,5-八氟)戊酯(PIB-b-PDMAEMA-b-POFPMA),对PIB60-bPDMAEMA63-b-POFPMA11的物理化学性质和成膜性能进行了研究.利用1H-NMR和GPC表征了聚合物的化学结构、分子量及分子量分布;通过TGA和DSC测试了聚合物的热分解温度与玻璃化转变温度(Tg).实验结果表明,PIB60以及PDMAEMA63的Tg分别为-61℃和5℃,PIB60-b-PDMAEMA63在-4℃左右存在一个Tg,而PIB60-b-PDMAEMA63-b-POFPMA11不仅在-4℃存在玻璃化转变,而且在26℃存在另一个玻璃化转变,对应于POFPMA嵌段的Tg.将聚合物制成薄膜,通过接触角测试发现聚合物薄膜具有一定的疏水疏油性质.根据Owens-Wendt公式计算了聚合物薄膜的自由能、分散能和极性能.利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射分析(XRD)研究了聚合物中含氟嵌段向薄膜表面迁移富集和堆积结构,结果显示,在退火之后,含氟嵌段向薄膜的表面迁移、富集,并在表面排列形成双层堆积结构.     

相分离丙烯酸树脂/SiO2复合超疏水薄膜的制备及其性能

基于溶剂诱导相分离法,将丙烯酸树脂薄膜在含有二氧化硅和异氰酸酯三聚体交联剂的乙酸乙酯(良溶剂)和乙醇(不良溶剂)的混合溶剂中浸渍提拉,获得具有多孔结构的超疏水薄膜。分别用红外光谱、扫描电镜表征了超疏水薄膜的结构和形貌,并测试了其疏水性、自清洁性及耐磨性。当混合溶剂中乙酸乙酯与乙醇的体积比为6∶4、SiO_2的质量浓度为0.025g/mL时,超疏水薄膜的水接触角可达158°±3°,且经历35个周期的砂纸磨损(100g载重)后仍保持超疏水性,具备良好的自清洁性与耐磨性。     

含短碳氟链聚合物处理的织物表面疏水/疏油-亲水转换特性的研究

采用半连续加入乳液聚合的方法合成了含不同长度氟碳链的丙烯酸酯-丙烯酸共聚物。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)对聚合物的组成、热稳定性等性质进行了表征,详细考察了不同氟碳链对聚合物性质的影响。经聚合物乳液整理后织物的水接触角和二碘甲烷接触角显示出织物表面具有良好的疏水疏油性,与长氟烷基链聚合物相比有相同的特性;此外,接触角、荧光显微镜以及元素面分布结果表明,整理后的织物具有疏水/疏油-亲水性转换功能,这对于织物的抗污及清洗具有良好的作用。