CN101891948A - 具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜及其制备方法，薄膜由聚氨酯弹性体制成，其特征在于：薄膜表面具有微观有序粗糙结构，表面含有低表面能物质。其制备方法是：首先通过喷砂与腐蚀加工出具有粗糙结构的铝箔；然后在铝箔表面浇注混合物；固化后除去铝箔，剩余部分即为具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜；其中混合物的组成质量比是短链聚合物、低表面能物质、硫化剂、二异氰酸酯、溶剂。本发明制备的超疏水薄膜具有耐磨损性能，实施方法简便可行，工艺简单，生产成本低的特点。

Description

具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜及其制备方法，属于高分子薄膜材料技术领域。
背景技术
超疏水表面或涂层具有自清洁、防水、防冰雪粘覆功能，在日常生活、工业领域具有应用前景，超疏水表面具有高度粗糙结构，超疏水表面遭受摩擦时，实际上由表面的微米或纳米微凸起承载压力与剪切作用，表面微凸所承载压强与剪切应力远远大于表观压强与剪切应力，从而导致表面粗糙结构因应力集中而损坏，最终导致超疏水功能失效。因此，超疏水表面在使用过程中易于遭受磨损而失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工艺简单、投资成本低的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜及其制备方法。其技术内容为：
一种具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜，薄膜由聚氨酯弹性体制成，其特征在于：薄膜表面具有微观有序粗糙结构，表面含有低表面能物质。
一种具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：首先通过喷砂与腐蚀加工出具有粗糙结构的铝箔；然后在铝箔表面浇注混合物；固化后除去铝箔，剩余部分即为具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜；其中混合物的组成质量比是短链聚合物、低表面能物质、硫化剂、二异氰酸酯、溶剂。
所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，铝箔粗糙化工艺为：首先用干法喷砂处理，压力为0.3MPa～0.8MPa，最佳为0.5MPa，介质为空气，喷砂时间为10秒～60秒，最佳为30秒，所用的砂为金刚砂、白刚玉、棕刚玉的一种或几种的组合物，粒径为40目～160目，最佳为60目；其次采用盐酸或硫酸对铝箔进行腐蚀处理：浓度为1.0mol/L～20mol/L，最佳为10mol/L，腐蚀时间为10秒～60秒，最佳为30秒。
所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，浇注的混合物中短链聚合物采用异氰酸酯封端的端羟基聚丁二烯、异氰酸酯封端的端羟基聚苯乙烯-丁二烯共聚物、异氰酸酯封端的端羟基聚丁二烯-丙烯腈共聚物、异氰酸酯封端的环氧丙烷聚醚、异氰酸酯封端的四氢呋喃聚醚的一种或几种的混合物，短链聚合物混合物中的质量含量是15％～40％，二异氰酸酯在混合物中的质量含量是0％～16％。
所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，浇注的混合物中短链聚合物采用端羟基聚丁二烯，端羟基聚丁二烯-苯乙烯共聚物，端羟基聚丁二烯-丙烯腈共聚物，环氧丙烷聚醚，四氢呋喃聚醚的一种或几种的混合物，短链聚合物混合物中的质量含量是15％～40％，二异氰酸酯在混合物中的质量含量是2％～16％。
所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，浇注所用的混合物中含有的硫化剂为丙三醇、3，3’-二氯-4，4’-二苯基甲烷二胺的一种或几种的混合物，低表面能物质在混合物中的质量含量是1.5％～15％。
所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，浇注所用的混合物中含有的二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯的一种或几种的混合物，其中二异氰酸酯在混合物中的质量含量是0％～18％。
所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，浇注所用的混合物中含有的低表面能物质为羟基硅油、胺基硅油、全氟辛酸的一种或几种的混合物，其中低表面能物质在混合物中的质量含量是1.5％～15％。
所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，浇注所用的混合物中含有的溶剂为苯、甲苯、乙酸乙酯、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺的一种或几种的混合物，溶剂在浇注所用的混合物中的质量比含量以75％为最佳。
本发明与现有技术相比，其优点是：
1、弹性体是聚合物材料中力学性能独特的材料。相对于塑性材料与脆性材料，由弹性材料构建的超疏水表面在耐磨损性能方面更有优势：在遭受压力时，弹性微凸被挤入相邻的凹谷，在遭受剪切作用力时，弹性微凸会倒伏、填入相邻的凹谷，表面变成相对平滑、受力面积增加，在外力回撤后，弹性形变可以回复。本发明具有实施方法简便可行，工艺简单，生产成本低等特点。实验证明该方法得到的超疏水薄膜在载荷为4700Pa压力下，以不锈钢为摩擦面，平均摩擦速度为0.3m/s进行往复式磨擦，磨擦次数在10000次后，表面微观结构保持相对稳定。
附图说明
图1是本发明实施例1超疏水薄膜上的水滴的形态(A：摩擦前，接触角为165°；B：10000次摩擦后，接触角为160°)；
图2是本发明实施例1超疏水薄膜的微观结构(A：放大2000倍；B：放大5000倍)；
图3是本发明实施例1超疏水薄膜在载荷为4700Pa压力下，以不锈钢为摩擦面，平均摩擦速度为0.3m/s进行往复式磨擦，磨擦次数在10000次后的微观结构(A：放大2000倍；B：放大5000倍)；
图4是本发明实施例2超疏水薄膜上的水滴的形态(A：摩擦前，接触角为170°；B：10000次摩擦后，接触角为156°)；
图5是本发明实施例3超疏水薄膜上的水滴的形态(A：摩擦前，接触角为162°；B：10000次摩擦后，接触角为150°)；
图6是本发明实施例4超疏水薄膜上的水滴的形态(A：摩擦前，接触角为164°；B：10000次摩擦后，接触角为154°)；
图7是本发明实施例5超疏水薄膜上的水滴的形态(A：摩擦前，接触角为165°；B：10000次摩擦后，接触角为151°)。
具体实施方式
实施例1
(1)铝箔处理：裁剪6cm×6cm铝箔一张，进行干法喷砂处理：气压为0.3MPa，喷砂时间为30秒，砂为60目棕刚玉砂。喷砂后的铝箔浸泡于10mol/L的盐酸溶液腐蚀30秒。将腐蚀处理后的铝箔用超声波清洗10分钟，室温干燥。
(2)浇注所用的混合物配制：取异氰酸酯封端的端羟基聚丁二烯4克、3，3’-二氯-4，4’-二苯基甲烷二胺0.65克、羟基硅油0.5克、乙酸乙酯8克、丙酮2克置于三角烧瓶，室温下搅拌30分钟。
(3)浇注与固化工艺：将铝箔置于聚四氟乙烯模具中，将浇注所用的混合物倒入模具。20℃室温下静置4小时后置于烘箱，保持50℃8小时。固化后将铝箔与薄膜取出，浸泡于1mol/L盐酸溶液，腐蚀去除铝箔即得超疏水聚氨酯薄膜。实验证明所得薄膜与水接触角为165°，在载荷为4700Pa压力下，以不锈钢为摩擦面，平均摩擦速度为0.3m/s进行往复式磨擦，磨擦次数在10000次后，薄膜接触角为160°。
实施例2
(1)铝箔处理：裁剪6cm×6cm铝箔一张，进行干法喷砂处理：气压为0.8MPa，喷砂时间为20秒，砂为120目金刚砂。喷砂后的铝箔浸泡于20mol/L的盐酸溶液腐蚀10秒。将腐蚀处理后的铝箔用超声波清洗10分钟，室温干燥。
(2)浇注所用的混合物配制：取端羟基聚丁二烯4克、甲苯二异氰酸酯1.2克、3，3’-二氯-4，4’-二苯基甲烷二胺0.65克、全氟辛酸1.2克、甲苯4克、丙酮2克置于三角烧瓶。室温下搅拌60分钟。
(3)浇注与固化工艺：将铝箔置于聚四氟乙烯模具中，将浇注所用的混合物倒入模具。室温下静置4小时后置于烘箱，保持50℃8小时。固化后将铝箔与薄膜取出，浸泡于1mol/L硫酸溶液，腐蚀去除铝箔。将所得薄膜经蒸馏水冲洗三次烘干得到超疏水薄膜。所得薄膜与水接触角为170°，在载荷为4700Pa压力下、以不锈钢为摩擦面、平均摩擦速度为0.3m/s进行往复式磨擦，磨擦次数在10000次后，薄膜与水静止接触角为156°。
实施例3
(1)铝箔处理：裁剪6cm×6cm铝箔一张，进行干法喷砂处理：气压为0.5MPa，喷砂时间为10秒，砂为40目白刚玉砂。喷砂后的铝箔浸泡于18mol/L的盐酸溶液腐蚀10秒。将腐蚀处理后的铝箔用超声波清洗10分钟，室温干燥。
(2)浇注所用的混合物配制：取端羟基丁二烯-苯乙烯共聚物4克、3，3’-二氯-4，4’-二苯基甲烷二胺0.65克、异佛尔酮二异氰酸酯0.75克、胺基硅油0.5克、N，N-二甲基甲酰胺4克、甲苯14克、乙酸乙酯2克置于三角烧瓶。室温下搅拌30分钟。
(3)浇注与固化工艺：将铝箔置于聚四氟乙烯模具中，将浇注所用的混合物倒入模具。室温下静置4小时后置于烘箱，保持50℃8小时。固化后将铝箔与薄膜取出，浸泡于1mol/L盐酸溶液，腐蚀去除铝箔。将所得薄膜经蒸馏水冲洗三次烘干得到超疏水薄膜。实验证明薄膜与水接触角为162°，该薄膜在载荷为4700Pa压力下、以不锈钢为摩擦面、平均摩擦速度为0.3m/s进行往复式磨擦，磨擦次数在10000次后，薄膜与水静止接触角为150°。
实施例4
(1)铝箔处理：裁剪6cm×6cm铝箔一张，进行干法喷砂处理：气压为0.3MPa，喷砂时间为30秒，砂为160目棕刚玉砂。喷砂后的铝箔浸泡于10mol/L的盐酸溶液腐蚀30秒。将腐蚀处理后的铝箔用超声波清洗10分钟，室温干燥。
(2)浇注所用的混合物配制：取端羟基聚丁二烯，端羟基聚丁二烯-苯乙烯共聚物，端羟基聚丁二烯-丙烯腈共聚物，环氧丙烷聚醚，四氢呋喃聚醚各1克、甲苯二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯各0.25克、丙三醇0.85克、胺基硅油0.5克、乙酸乙酯20克、丙酮3克置于三角烧瓶。室温下搅拌30分钟。
(3)浇注与固化工艺：将铝箔置于聚四氟乙烯模具中，将浇注所用的混合物倒入模具。室温下静置4小时后置于烘箱，保持50℃8小时。固化后将铝箔与薄膜取出，浸泡于1mol/L盐酸溶液，腐蚀去除铝箔。将所得薄膜经蒸馏水冲洗三次烘干得到超疏水薄膜。实验证明薄膜与水接触角为164°，该薄膜在载荷为4700Pa压力下、以不锈钢为摩擦面、平均摩擦速度为0.3m/s进行往复式磨擦，磨擦次数在10000次后，薄膜与水静止接触角为154°。
实施例5
(1)铝箔处理：裁剪6cm×6cm铝箔一张，进行干法喷砂处理：气压为0.3MPa，喷砂时间为30秒，砂为80目棕刚玉砂。喷砂后的铝箔浸泡于1mol/L的盐酸溶液腐蚀30秒。将腐蚀处理后的铝箔用超声波清洗10分钟，室温干燥。
(2)浇注所用的混合物配制：异氰酸酯封端的端羟基聚丁二烯、异氰酸酯封端的端羟基聚苯乙烯-丁二烯共聚物、异氰酸酯封端的端羟基聚丁二烯-丙烯腈共聚物、异氰酸酯封端的环氧丙烷聚醚、异氰酸酯封端的四氢呋喃聚醚各1克、甲苯二异氰酸酯0.25克，丙三醇、3，3’-二氯-4，4’-二苯基甲烷二胺各0.3克、羟基硅油0.6克、乙酸乙酯15克、丙酮18克置于三角烧瓶。室温下搅拌30分钟。
(3)浇注与固化工艺：将铝箔置于聚四氟乙烯模具中，将浇注所用的混合物倒入模具。室温下静置4小时后置于烘箱，保持50℃8小时。固化后将铝箔与薄膜取出，浸泡于1mol/L盐酸溶液，腐蚀去除铝箔。将所得薄膜经蒸馏水冲洗三次烘干得到超疏水薄膜。实验证明薄膜与水接触角为165°，该薄膜在载荷为4700Pa压力下、以不锈钢为摩擦面、平均摩擦速度为0.3m/s进行往复式磨擦，磨擦次数在10000次后，薄膜与水静止接触角为151°。

Claims (9)

1.一种具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜，薄膜由聚氨酯弹性体制成，其特征在于：薄膜表面具有微观有序粗糙结构，表面含有低表面能物质。
2.一种如权利要求1所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：首先通过喷砂与腐蚀加工出具有粗糙结构的铝箔；然后在铝箔表面浇注混合物；固化后除去铝箔，剩余部分即为具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜；其中混合物的组成质量比是短链聚合物、低表面能物质、硫化剂、二异氰酸酯、溶剂。
3.根据权利要求2所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：铝箔粗糙化工艺为：首先用干法喷砂处理，压力为0.3MPa～0.8MPa，介质为空气时间为10秒～60秒，所用的砂为金刚砂、白刚玉、棕刚玉的一种或几种的组合物，粒径为40目～160目；其次采用盐酸或硫酸对铝箔进行腐蚀处理：浓度为1mol/L～20mol/L，腐蚀时间为10秒～60秒。
4.根据权利要求2所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：浇注的混合物中短链聚合物采用异氰酸酯封端的端羟基聚丁二烯、异氰酸酯封端的端羟基聚苯乙烯-丁二烯共聚物、异氰酸酯封端的端羟基聚丁二烯-丙烯腈共聚物、异氰酸酯封端的坏氧丙烷聚醚、异氰酸酯封端的四氢呋喃聚醚的一种或几种的混合物，短链聚合物在混合物中的质量含量是15％～40％，二异氰酸酯在混合物中的质量含量是0％～16％。
5.根据权利要求2所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：浇注所用的混合物中短链聚合物采用端羟基聚丁二烯，端羟基聚丁二烯-苯乙烯共聚物，端羟基聚丁二烯-丙烯腈共聚物，环氧丙烷聚醚，四氢呋喃聚醚的一种或几种的混合物，短链聚合物在混合物中的质量含量是15％～40％，二异氰酸酯在混合物中的质量含量是2％～16％。
6.根据权利要求2所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：浇注所用的混合物中含有的硫化剂为丙三醇、3，3’-二氯-4，4’-二苯基甲烷二胺的一种或几种的混合物，硫化剂在混合物中的质量含量是1.5％～5％。
7.根据权利要求2所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：浇注所用的混合物中含有的二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯的一种或几种的混合物，二异氰酸酯在混合物中的质量含量是0％～18％。
8.根据权利要求2所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：浇注所用的混合物中含有的低表面能物质为羟基硅油、胺基硅油、全氟辛酸的一种或几种的混合物，低表面能物质在混合物中的质量含量是1.5％～15％。
9.根据权利要求2所述的具有耐磨损性能的超疏水聚氨酯薄膜的制备方法，其特征在于：浇注所用的混合物中含有的溶剂为苯、甲苯、乙酸乙酯、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺的一种或几种的混合物，溶剂在混合物中的质量含量是50％～85％。
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