摘 要

本文采用SiO₂气凝胶作为基体，利用聚氨酯(PU)对SiO₂气凝胶进行改性，同时加入不同浓度的SiO₂纳米粒子构建功能梯度超疏水涂层，改善超疏水涂层的耐磨性，制备出具有梯度复合结构和优良综合性能（耐磨性、粘附性）的减阻超疏水涂层，并通过各种技术手段对其形貌和性能进行表征。

研究的具体内容主要包括以下几点：(1) 通过溶胶-凝胶法和浸涂法制备PU/SiO₂复合超疏水涂层，优化实验条件，确定最佳反应参数，结合聚氨酯和二氧化硅气凝胶的优点，制备出具有一定耐磨性和超疏水性的复合涂层；(2) 利用SiO₂纳米粒子构建出同时具备耐磨性、粘附性的功能梯度超疏水涂层，探究不同浓度的SiO₂纳米粒子对疏水涂层的影响，深入研究梯度超疏水涂层的结构及性能。

研究结果表明：(1) PU和SiO₂气凝胶超疏水涂层发生交联反应形成复合超疏水涂层。PU/SiO₂涂层表现出比SiO₂气凝胶超疏水涂层更好的超疏水性能。PU/SiO₂复合超疏水涂层的水接触角最高可达162.1°，并且在可见光下透光率高达90%，同时具有优异的耐磨性。(2) 提出了通过控制SiO₂纳米粒子的浓度来制造超疏水梯度涂层的模型，并成功制备了PU/SiO₂基功能梯度超疏水涂层。(3) PU/SiO₂基功能梯度超疏水涂层表现出优异的耐磨性，5 kPa压力下循环50次之后的水接触角仍然保持115.6°，远远优于SiO₂超疏水涂层以及PU/SiO₂复合超疏水涂层。并且实验结果表明梯度结构能提高疏水涂层的耐磨性。

关键词：超疏水；耐磨性；SiO₂气凝胶；梯度涂层

Abstract

In this paper, SiO₂ aerogels were used as the matrix, and the SiO₂ aerogels were modified by polyurethane. At the same time, different gradient of SiO₂ nanoparticles were used to construct the functionally gradient superhydrophobic coating to improve the wear resistance of the superhydrophobic coating. Composite structure and excellent comprehensive performance (Wear resistance, Adhesion) of the drag reduction and superhydrophobic coating, and through a variety of technical means to characterize its morphology and performance.

The specific contents of the study include the following: (1) Preparation of PU/SiO₂ composite superhydrophobic coating by sol-gel method and dip coating process, optimizing the experimental conditions and determining the optimum reaction parameters. (2) The functionally gradient superhydrophobic coating with abrasion resistance and adhesion was constructed by using SiO₂ nanoparticles. The effects of different concentrations of SiO₂ nanoparticles on the hydrophobic coating were investigated. The structure and properties of the gradient superhydrophobic coatings were studied.

The results show that: (1) The PU and SiO₂ aerogels superhydrophobic coating crosslinked to form composite superhydrophobic coating. The PU/SiO₂ coatings exhibit better superhydrophobic properties than SiO₂ aerogels superhydrophobic coatings. The PU/SiO₂ composite superhydrophobic coating water contact angle up to 162.1°, and in visible light transmittance up to 90%, while excellent wear resistance. (2) The model of superhydrophobic gradient coating was prepared by controlling the concentration of SiO₂ nanoparticles, and PU/SiO₂ based functional gradient superhydrophobic coating was successfully prepared. (3) The PU/SiO₂ based functional gradient superhydrophobic coating showed excellent wear resistance, under 5 kPa pressure after 50 times the water contact angle is still maintained at 115.6 °, far better than SiO₂ superhydrophobic coating and the PU/SiO₂ composite superhydrophobic coating. And the experimental results show that the gradient structure can improve the wear resistance of hydrophobic coating.

Key Words：Superhydrophobic; Abrasion resistance; SiO₂ aerogels; Gradient coating

目录

第1章 绪论 1

1.1 自然界中超疏水现象 1

1.2 超疏水理论基础 2

1.2.1 接触角定义 2

1.2.2 光滑表面的接触角 3

1.2.3 粗糙表面的接触角 3

1.3 超疏水材料的制备方法 5

1.3.1 模板法 5

1.3.2 电纺丝法 5

1.3.3 刻蚀法 5

1.3.4 溶胶-凝胶法 5

1.3.5 气相沉积法 5

1.3.6 相分离法 5

1.4 超疏水材料的应用 6

1.5 超疏水材料的研究现状 6

1.6 本文选题意义与研究内容 6

1.6.1 选题意义 6

1.6.2 研究内容 7

第2章 PU/SiO₂超疏水复合涂层的制备与性能表征 8

2.1引言 8

2.2 实验部分 8

2.2.1 实验试剂 8

2.2.2 实验仪器与设备 8

2.2.3 PU/SiO₂超疏水复合涂层的制备 9

2.2.4 测试与表征 10

2.3 结果与讨论 12

2.3.1 PU/SiO₂超疏水复合涂层的红外光谱分析 12

2.3.2 PU/SiO₂超疏水复合涂层的表面形貌分析 12

2.3.3 PU/SiO₂超疏水复合涂层的耐磨性测试 14

2.3.4 PU/SiO₂超疏水复合涂层的透光率测试 16

2.4 本章小结 16

第3章 PU/SiO₂基功能梯度超疏水涂层的制备与性能研究 18

3.1引言 18

3.2 实验部分 18

3.2.1 实验试剂 18

3.2.2 实验仪器与设备 19

3.2.3 PU/SiO₂基功能梯度超疏水涂层的制备 19

3.2.4 实验表征与测试 20

3.3 结果与讨论 21

3.3.1 PU/SiO₂基梯度功能超疏水涂层的表面形貌分析 21

3.3.2 PU/SiO₂基梯度功能超疏水涂层的耐磨性能分析 23

3.4 本章小结 23

第4章 结论 25

参考文献 27

在学期间研究成果 30

致 谢 31

第1章 绪论

自从德国植物学家Barthlott在1997年发现荷叶表面的超疏水现象和自清洁功能以来，超疏水材料引起了科学家极大的兴趣与关注^[1-3]。尤其是自然界中荷叶的自清洁效应——水珠在荷叶表面展现出完全不润湿状态，只要荷叶表面略微倾斜就可以使上面的水珠滑落，甚至带走表面的灰尘颗粒，正所谓“出淤泥而不染”，对超疏水材料的诞生和发展起到了巨大的推动作用。研究表明，荷叶表面具有超疏水性是因为表面具有微米与纳米相复合的双级结构。科研工作者通过对自然界中有疏水性的动植物表面进行研究，为人工制备超疏水材料提供了许多理论依据与设计思路。通过分析研究动植物表面的粗糙结构、表面润湿性和化学成分之间的关系，以及对微-纳米粗糙结构的构筑，从而制备了具有超疏水性的材料。这种材料满足了日常生活和工农业生产对材料防水、防污、防积雪、防氧化以及遏制流体粘滞等性能的强烈需求。

1.1 自然界中超疏水现象