摘 要：通过在有机硅改性丙烯酸树脂中加入具有疏水作用的纳米及微米级颗粒，在碳钢表面制备超疏水涂层。利用扫描电镜和接触角测定仪对涂层表面的微观结构及疏水性能进行表征，结果表明：该涂层结构与荷叶表面的微观结构很相似，水滴与涂层表面的接触角达到了150°，涂层具有超疏水性能。
关键词：超疏水 涂层 有机硅改性丙烯酸树脂 纳米SiO2
0 前言
润湿性是表征物体表面亲水还是疏水的一个重要特性。根据水与材料表面接触的润湿性，可以将材料表面分为疏水型和亲水型，对于超疏水表面材料表面与水的接触角要大于150°。通过对自然界中自清洁能力强的荷叶表面的微观研究，发现荷叶自清洁原因是由表面蜡状物和表面上微米结构的乳突共同作用的结果[1–2]。由自然界疏水现象，人们联想到构成粗糙的微观结构来获得超疏水表面。目前，疏水表面制备方法主要有两种,一种是在疏水材料表面构建粗糙微米或纳米结构，另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质[3]。
本文以有机硅改性丙烯酸树脂为成膜涂料，向涂料中添加疏水型纳米SiO2和微米级CaCO3、钛白粉、滑石粉等微粒，在碳钢表面制备出具有仿荷叶效应的超疏水涂层。该涂层在防水、防垢、防腐蚀等方面具有广阔的发展前景。
1 实验
1.1 有机硅改性丙烯酸树脂的合成
以甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）、丙烯酸（AA）为原料，正丁醇、二甲苯、乙酸丁酯的混合液作为溶剂，乙烯基三乙氧基硅烷为改性剂制备有机硅改性丙烯酸树脂[4],各种成分的配比为：乙烯基三乙氧基硅烷4%，甲基丙烯酸甲酯（MMA）30%，丙烯酸丁酯（BA）7%，丙烯酸（AA）5.5%，二甲苯41%，乙酸丁酯11%，偶氮二异丁腈（ABIN）1.5%。
在装有回流冷凝装置、搅拌器、温度计的四口烧瓶中，按一定比例加入甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）、乙烯基三乙氧基硅烷、二甲苯、乙酸丁酯，在滴定瓶中加入偶氮二异丁腈（ABIN）和丙烯酸（AA）的混合液，在氮气的保护下搅拌升温至回流。打开滴定瓶开关，滴加混合液，3h加完，保温0.5h，补加引发剂，再保温0.5h，出料，最后产物呈粘性且清澈透明。整个反应过程，控制氮气流速适当，控制加热温度恒定且在110℃左右，控制搅拌器转速恒定且在350r/min左右。
1.2 超疏水涂层的制备
以有机硅改性丙烯酸树脂为成膜物质、以正丁醇、二甲苯为溶剂，纳米SiO2（疏水型）、轻质碳酸钙、滑石粉、钛白粉为添加颗粒配制涂料，配制好的涂料超声分散30min，采用浸涂方法，将涂料涂在碳钢试片表面，室温固化。涂料配比见表1。
1.3 超疏水涂层性能测试
试片表面喷金，利用日立S–3400N扫描电镜观察涂层的表面形貌。接触角测量采用去离子水，液体体积为5μL，用JY–82接触角测定仪测量水在涂层表面的静态接触角。
按照GB 6379、GB 1725、GB1720、GB 1732、GB 1728测试涂层的硬度、涂料黏度、涂层附着力、冲击强度和干燥时间，涂层厚度采用TT26型涂层测厚仪。
2 实验结果与分析
2.1 涂层的表面状态及微观结构
用注射器将水滴在涂层表面，用数码相机进行拍照，图1是水滴在涂层表面的状态。
由图1可以看出水滴滴在涂层表面，类似于水滴在荷叶表面的状态。水珠没有扩散，也没有浸润涂层，将试片稍微倾斜一定的角度，水珠便可以从涂料表面滚落，这就说明涂层表面达到了“荷叶效应”的效果。
图2是涂层表面的SEM图，图3为荷叶表面SEM图，涂层表面出现了微米、纳米级的“突起”，这些突起同荷叶表面的“乳突”非常相似，说明涂层表面具备了仿荷叶的粗糙结构。
2.2 涂层的疏水性
图4是丙烯酸树脂涂层、有机硅改性丙烯酸树脂涂层和超疏水涂层与水的接触角测量结果。
由图4可见，丙烯酸树脂涂层与水的接触角为71°，有机硅改性丙烯酸树脂涂层与水的接触角为82°，疏水效果并不明显，加入疏水颗粒的超疏水涂层与水的接触角为152°，表现为超疏水性。由此可见，有机硅改性的丙烯酸树脂涂料虽然可以增加接触角，但毕竟有限，还达不到超疏水的效果，通常接触角超过150°才可达到超疏水的效果。有机硅改性涂料虽然在树脂分子结构中引入了低表面能Si–O键，但涂层表面并未构建类荷叶的粗糙结构，所以，达不到疏水效果。加入疏水纳米级SiO2及其它微米级颗粒，在涂层中呈现出无数纳米–微米突起，不但使涂层的表面能进一步降低，而且增大了涂层表面的粗糙度，这样便增大了涂层水的接触角，这说明涂层表面的疏水性能，即与材料的表面能有关，又和材料表面的粗糙度有关。
2.3 涂层的性能
涂层性能见表2。
3 结论
（1）在有机硅改性丙烯酸树脂中加入疏水型纳米SiO2及其它微米级颗粒，获得了类似荷叶表面结构的涂层。
（2）SEM观察和接触角测量结果表明，此涂层与荷叶表面的结构相似，疏水性能较好。
（3）涂层表面的疏水性能，
与涂层的表面能有关，还与涂层的粗糙度有关，增加涂层表面的粗糙度，能够提高涂层的疏水性。
参考文献略
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