乙烯基含氟硅油改性有機(jī)硅防粘涂層的制備與性能研究

竇艷麗，黃加明，李金良，曹博君，管東波*

(1.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教育部汽車材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025；2.蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 引 言

涂料是一種重要的材料，廣泛應(yīng)用于建筑、海洋以及工業(yè)等領(lǐng)域。防粘涂料是一種特殊的涂料，由其制成的涂層具有較低的表面能和較好的脫模性。有機(jī)硅樹(shù)脂由于具有表面能低、彈性模量小且價(jià)格低廉的特點(diǎn)，已成為商業(yè)化防粘涂層的主要原材料，但有機(jī)硅樹(shù)脂存在機(jī)械性能較差，使用過(guò)程容易損壞等缺點(diǎn)[1,2]。氟化聚合物因其優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性、防水防油性、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性以及低表面能而廣泛應(yīng)用于疏水涂層和醫(yī)療器械，但存在溶解性差、附著力低、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)[3-5]。因此，近年來(lái)，研究人員對(duì)兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的氟硅協(xié)同改性樹(shù)脂綜合性能進(jìn)行了廣泛的研究。Sun[6]等通過(guò)氟硅氧烷改性丙烯酸樹(shù)脂，增大了樹(shù)脂材料表面的接觸角。陳普奇[7]等將納米SiO2添加于通過(guò)氟硅改性的丙烯酸樹(shù)脂溶液中得到一種涂層，這種涂層具有超疏水性能。

本文以乙烯基硅油、含氫硅油、甲基乙烯基MQ硅樹(shù)脂、納米SiO2粉末為原料，通過(guò)改變乙烯基氟硅油的含量，在一定條件下得到防粘涂層。探索不同比例乙烯基氟硅油對(duì)涂層性能的影響，得出最佳的乙烯基氟硅油的用量。

2 試驗(yàn)部分

2.1 材料與儀器

(1)材料

含氫硅油(分析純)，乙烯基硅油(分析純)，鉑催化劑，東莞市鴻風(fēng)有機(jī)硅有限公司；甲基乙烯基MQ硅樹(shù)脂(工業(yè)純)，山東大易化工有限公司；納米SiO2粉末，阿拉丁試劑有限公司；乙烯基氟硅油，上海硅山高分子材料有限公司；均為市售。

(2)儀器

傅里葉變換紅外光譜儀，型號(hào)：TENSOR-27，廠家：德國(guó)BRUKER公司；接觸角測(cè)定儀，型號(hào)：DSA10-MK2，廠家：德國(guó)KRUSS科學(xué)儀器上海有限公司；原子力顯微鏡，型號(hào)：FM-Nanoview1000AFM，廠家：蘇州飛時(shí)曼精密儀器有限公司。

2.2 含氟有機(jī)硅防粘涂層的制備

稱取3.5g乙烯基硅油、0.175g含氫硅油、0.04g鉑催化劑、1.5g甲基乙烯基MQ硅樹(shù)脂、0.0735g納米SiO2粉末，占乙烯基硅油和含氫硅油質(zhì)量0wt.%、1wt.%、3wt.%、5wt.%、7wt.%、10wt.%的乙烯基含氟硅油，分別加入燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，然后將涂料均勻涂敷于經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鋁片上，放入80℃烘箱中固化一段時(shí)間，得到防粘涂層。

2.3 性能的測(cè)試與表征

涂層紅外光譜測(cè)試：采用TENSOR-27型紅外光譜儀對(duì)涂層材料進(jìn)行測(cè)試。

涂層形貌測(cè)試：采用FM-Nanoview1000型AFM對(duì)涂層材料進(jìn)行表面形貌測(cè)試。

涂層接觸角測(cè)試：采用DSA10-MK2型接觸角測(cè)定儀對(duì)涂層材料進(jìn)行靜態(tài)接觸角測(cè)試。

涂層防粘性能測(cè)試：采用聚氨酯泡沫膠帶剝離力測(cè)試及表面能來(lái)表征涂層的防粘性能。

表面能的計(jì)算：將測(cè)得的乙二醇、去離子水的接觸角數(shù)值，代入下式得到防粘涂層的表面能。

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3 結(jié)果與討論

3.1 含氟有機(jī)硅防粘涂層的紅外分析

含氟有機(jī)硅防粘涂層的紅外光譜圖如圖1所示。由圖可見(jiàn)，2960cm-1處的強(qiáng)吸收峰為-CH3中C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰，介于1000～1100cm-1范圍內(nèi)的吸收峰為Si-O-Si的伸縮振動(dòng)峰，而1209cm-1處的吸收峰為C-F鍵的伸縮振動(dòng)峰，表明C-F鍵已經(jīng)引入到涂層材料中。同時(shí)，在1640cm-1處未出現(xiàn)吸收峰，表明碳碳雙鍵已經(jīng)反應(yīng)完全。

圖1 含氟有機(jī)硅防粘涂層的紅外光譜圖

3.2 乙烯基氟硅油含量對(duì)涂層形貌的影響

圖2為涂層的表面形貌圖。由圖可見(jiàn)，隨著乙烯基氟硅油添加量的增大，涂層表面粗糙程度逐漸減小，這可能是由于乙烯基氟硅油的加入有利于納米SiO2粉末的分散。當(dāng)乙烯基氟硅油的添加量達(dá)到7wt.%時(shí)，涂層的表面粗糙程度增大，這可能是由于當(dāng)納米SiO2粉末的含量達(dá)到一定程度時(shí)，粉末的團(tuán)聚效應(yīng)占優(yōu)。

(a)含有0wt.%乙烯基氟硅油的涂層形貌圖 (b)含有1wt.%乙烯基氟硅油的涂層形貌圖

3.3 乙烯基氟硅油含量對(duì)涂層靜態(tài)接觸角的影響

圖3為乙烯基氟硅油的含量對(duì)涂層接觸角的影響。由圖可見(jiàn)，去離子水和乙二醇與涂層表面的接觸角隨著乙烯基氟硅油含量的增加而不斷增大，說(shuō)明氟元素的引入會(huì)增強(qiáng)涂層表面的疏水效果。涂層對(duì)去離子水的接觸角都大于90°，說(shuō)明涂層表面具有良好的疏水性。而乙二醇接觸角較小，這可能是因?yàn)橐叶嫉纳⒘κ蛊湓诜菢O性涂層材料表面呈現(xiàn)浸潤(rùn)分散的效果。

(a)去離子水與涂層表面接觸角 (b)乙二醇與涂層表面接觸角

3.4 乙烯基氟硅油含量對(duì)涂層防粘性能的影響

圖4為乙烯基氟硅油含量對(duì)涂層表面能和聚氨酯泡沫剝離力的影響圖。由圖可見(jiàn)，隨著乙烯基氟硅油添加量的不斷增加，含氟有機(jī)硅防粘涂層的表面能和剝離力均呈現(xiàn)降低并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。當(dāng)乙烯基氟硅油含量為10wt.%時(shí)，涂層的表面能為18.77mJ/m2。這是由于乙烯基氟硅油中C-F鍵能夠?qū)⑼繉又械奶兼湽羌馨饋?lái)，起到屏蔽作用，從而使含氟有機(jī)硅防粘涂層具有較低的表面能。當(dāng)乙烯基氟硅油含量為7wt.%時(shí)，聚氨酯泡沫膠帶的剝離力最小為9.5g/25mm，此時(shí)涂層的防粘性能較好，表面能也較低。

(a)對(duì)涂層表面能的影響 (b)對(duì)聚氨酯泡沫剝離力的影響

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)乙烯基氟硅油含量為7wt.%時(shí)，涂層表面粗糙度較大。

(2)乙烯基氟硅油的加入使得去離子水和乙二醇的接觸角不斷增大，當(dāng)乙烯基氟硅油含量為10wt.%時(shí)，去離子水和乙二醇的接觸角均達(dá)到最大值，表明氟元素的引入提高了涂層的疏水性。

(3)隨著乙烯基氟硅油含量的不斷增加，涂層的表面能和聚氨酯泡沫剝離力逐漸降低。

綜上所述，當(dāng)乙烯基氟硅油含量為7wt.%時(shí)，乙烯基氟硅油改性有機(jī)硅防粘涂層的綜合性能較好。