疏水型自清洁涂料的制备与性能研究

黄硕１，吴仲岿１，２，易辉３，万晓东３，张锐３
（１．武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉４３００７０；２．污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室，黄石４３５００２；３．国网电力科学研究院，武汉４３００７４）

输电线路的覆冰和积雪威胁着电力及通信网络的安全运行，结冰和除冰问题引起了人们的极大重视。防冰除冰技术是世界性的技术难题，大多数防覆冰涂料是利用各种可取得的热源提高被涂覆物表面的温度，防止过冷却水在线路表面冻结成冰，另一种思路则是大限度地降低冰与基底之间的结合力，可取得更好的效果［１－５］。在输电线路的导线、绝缘子等上涂覆具有疏水性能的涂料，可使冰或雪的附着力明显降低。用于电力系统的长效防污闪涂料（简称ｐｒｔｖ防污闪涂料）具有一定的疏水性及疏水迁移性，但不能较为有效地防止覆冰的发生，如何进一步提高此种涂层的憎水性是一个极有意义的研究课题。有学者认为，将自成型防污闪复合材料ｐｒｔｖ与疏水型纳米ｓｉｏ２合成类似荷叶自清洁结构的突触结构，可制备出具有高疏水特性的复合材料［６－９］。文中对ｐｒｔｖ涂料进行共混改性，研究了纳米ｓｉｏ２的含量对改性ｐｒｔｖ涂层表面疏水性的影响，并考查了涂层表面的微结构与其水接触角的内在关系。

１　实验
１．１　防覆冰涂料的制备
所用ｐｒｔｖ涂料为河北硅谷化工有限公司生产，疏水性纳米ｓｉｏ２为实验室自制。称取设计质量的纳米ｓｉｏ２、二甲苯、甲苯、丙酮，搅拌使其混合均匀，置于ｋｑ－１００ｅ型超声波清洗仪中超声振荡２０ｍｉｎ，之后加入设计质量的ｐｒｔｖ 涂料，再次放入超声波清洗仪中超声振荡２０ｍｉｎ，后将制作的涂料放入ｑｚｍ 型锥体磨中进行研磨，取研磨后的涂料涂覆在载玻片表面，得到测试样片。纳米ｓｉｏ２粉末与ｐｒｔｖ 涂料的设计质量比分别为０．８３∶１０，１∶１０，１．２５∶１０，１．５∶１０，所得样片依次编号为ａ１，ａ２，ａ３，ａ４。取各种不同编号的玻璃样片进行水接触角测试，并选择适当的样品做ｓｅｍ 测试，观察材料表面的微结构对覆冰速率的影响。
１．２　分析与表征方法
１）利用ｃ２０１型水接触角测量仪测量各样片的水接触角值。
２）样片表面用酒精去污，在ｊｓｍ－５６１０ｌｖ型扫描电子显微镜和ｓ４８００型场发射扫描电子显微镜下观察其表面形貌。
２　结果与讨论
２．１　水接触角分析
如图１所示，ｐｒｔｖ 涂料的水接触角为１０６°，而ａ１，ａ２，ａ３和ａ４样片的水接触角分别为１２３°，１４０°，１５０°，１３５°，其中ａ３达到超疏水的临界值１５０°。

图１　各样片的水接触角
由图１可以看出，与ｐｒｔｖ涂料相比，纳米ｓｉｏ２－ｐｒｔｖ复合涂料的水接触角明显增大，这表明疏水性纳米ｓｉｏ２的加入可以大幅度提高ｐｒｔｖ涂料的疏水性能。有研究表明，纳米ｓｉｏ２的加入可能会使涂层表面形成微米－纳米复合结构，而微米－纳米复合结构可以诱导材料表面产生超疏水性［９－１３］。除此之外，随着纳米ｓｉｏ２含量的依次递增，水接触角先增大后减小。这说明在一定范围内（纳米ｓｉｏ２与ｐｒｔｖ 质量比在０．８３∶１０至１．２５∶１０之间），纳米ｓｉｏ２的含量越高，改性ｐｒｔｖ 涂层的疏水性能越好；而当纳米ｓｉｏ２
的含量超过此范围，复合涂料的疏水性能反而下降。
２．２　表面微结构与疏水性的关系
为研究复合ｐｒｔｖ 涂料涂层表面的微结构与其水接触角之间的关系，对比了未添加纳米ｓｉｏ２的ｐｒｔｖ涂料与ａ１，ａ２样片的表面ｓｅｍ 形貌，如图２所示。

图２　不同涂层表面的ｓｅｍ 图