CN102585244A - 一种具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球及超双疏表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球及由其制备得到的超双疏表面。本发明的具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球是在纳米微球表面接枝上端基为化合物D的含氟聚合物，再将端基为化合物A的环氧树脂聚合物与含氟聚合物通过加热可断裂的狄尔斯-阿尔德反应连接得到的。本发明的超双疏性表面是将具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球分散在低沸点无氟溶剂中，再与环氧树脂固化剂混匀，喷涂在基底材料表面，真空干燥后得到的。本发明中引入了高分散性环氧树脂聚合物，由于分散性聚合物中含有环氧官能团，利用溶剂中的环氧树脂固化剂，可与环氧基发生固化反应，将含氟纳米微球固定在绝大多数基材表面，因此可解决含氟纳米微球在基材表面上的粘接性问题。

Description

一种具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球及超双疏表面

技术领域

本发明属于高分子超双疏材料领域，具体涉及一种具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球及其制备方法，及由该含氟纳米微球制备的超双疏表面。

背景技术

超疏水表面是指那些表面静态接触角大于150°的固体表面。这种特殊的疏水状态(性质)，被称为超疏水状态(性质)。若某一表面上的水和油的静态接触角都大于150°且其滚动角都小于5°，则该界面可称之为超双疏界面。

超双疏材料可广泛应用于建筑建材电力、军事、纺织、皮革、包装材料、厨卫用具、输油管道、金属加工等生产生活的各个方面。因此具有十分广阔的应用前景。目前国内外已经有许多科研工作者开始这方面的研究，因此也形成了许多相关方面的科研成果。就目前的文献和专利报道来讲，超双疏材料的制备方法主要有如下几种：(1)电化学腐蚀法；(2)气相沉积法；(3)相分离法；(4)电化学沉积法；(5)自组装法等。尽管制备的方法多种多样，但是最基本的原理是相同的，也就是采用不同的方法构筑一层具有低表面能的粗糙度表面。有无含氟材料具有低的表面性能，因此，具有微纳粗糙材料表面接枝上一层具有低表面能效果的含氟化合物或含氟聚合物的薄膜，成为制备超双疏材料中的最为经济有效的方法。

美国专利US2007028395中提出，采用选定一种含氟聚合物或氟含低分子化合物，对纺织物进行处理，使得处理之后所得的织物具有较好的疏水疏油性。

专利WO2011001036-A1；FI200905752-A中，先用具有纤维素组成的材料(cellulosic material)或金属氧化物制备成一种气胶囊(aerogel)，然后再采用一些低表面能的改性剂(主要是指含氟或者含硅的化合物)对这种胶囊进行处理，然后就可以获得一种具有超双疏效果的气胶囊。这种超双疏材料可应用在一些防腐防污的表面，如纺织物、包装材料、农用薄膜、指纹机及自清洁材料等表面上。这一方法的工艺相对比较复杂、成本较高、比较适合做防腐防污表面，不适合制备超双疏材料。

专利CN102021628A提出了一种金属钛或钛合金超疏油表面的制备方法。主要是将钛或者钛合金表面进行一次阳极氧化处理后得到微米结构粗糙表面，然后再通过二次阳极氧化在微米结构上形成一层二氧化钛纳米管阵列结构，然后经过低表面能物质的修饰作用得到超疏油和超双疏表面。虽然以上方法原料简单易得，但需要整体表面经过电化学反应，同时表面为低表面能的单分子层，易于受到污染或者损毁。还有处理的表面单一，只能处理金属表面，工艺复杂、不能大面积使用等。

就国内的相关研究来讲，有不少利用含氟聚合物在粗糙表面构筑超疏水的专利，如专利CN200610029160.4，一种荷叶效应自清洁氟碳涂料，是属于自清洁涂料技术领域，具体涉及一种荷叶效应自清洁氟碳涂料。该自清洁氟碳涂料主要由有机硅改性氟碳树脂、固化剂、疏水粒子、颜料、填料、助剂和溶剂组成。该发明提供的自清洁涂料，按照常规双组分涂料配制方法配制，可常温固化并得到高耐污染、高耐候，且具备自清洁功能的涂膜。本发明只有具有疏水性，而不具备疏油性，因此无法构筑超双疏界面。

专利CN200610042148.7介绍了一种氟硅超双疏不粘涂料，该发明涉及一种含氟硅材料的不粘涂料，这种不粘涂料主要是由固化剂(缩二脲)，氟碳树脂(四氟乙烯)，有机硅树脂(端羟基有机硅树脂)，颜填料，硅微粉，氟微粉等按照一定比例组成的。本发明的不粘涂料具有不粘性能好、常温干燥、耐老化、易于施工的优点。这种方法构筑超双疏材料的性能不是很优异，其疏水疏油性相对来讲不够优异，主要因为其中的氟碳树脂的表面能相对来讲还没有达到超双疏材料对表面能的要求。

专利201110131477.X提出了一种含氟双功能微球的制备方法，并以此为基础构筑超双疏表面。主要方法是制备一种含有多种官能团的纳米或微米级粒子，使其表面不仅含有含氟化合物，还有能够与基质反应而形成共价键的基团，再将这种表面接枝有含氟化合物和可与基质进行化学键合的纳米或微米微球喷涂在基材表面，并以此构筑超双疏界面。该发明所制备的涂层具有非常优异的超双疏特性，同时，由于该法采用共价键与基材表面进行键合，从而使得超双疏性能具有非常优异的耐久性，可望规模化应用。但是，该法需要处理的表面含有活性基团(如羟基、羧基、氨基等)，同时，该方法中需要用到含氟溶剂实现纳米微球的分散，因此，适用范围受到一定限制。

专利201110090620.5提出了一种双疏性含氟可交联嵌段共聚物的制备及其在二氧化硅表面组装后形成含氟纳米微球，主要是先合成一种同时具有可交联和含氟功能的嵌段共聚物，并将其组装到纳米微球的表面上。再将这种纳米微球喷涂在基材表面上，则可制备一种性能十分优异的超双疏材料。当嵌段聚合物中的含氟链段达到10以上时，其疏水疏油接触角可以达到150°，滚动角小于5°。但是这种表面接枝有含氟聚合物的纳米微球只能分散在含氟溶剂中，同时与大多数表面不具备较好的粘接性和成膜性，因此尽管其性能十分优异，但是离工业化应用还存在一定的距离。

专利201110266897.9提出了一种利用含氟含硅共聚物和二氧化硅进行共混后在含有活性基团的表面进行组装成膜，可以赋予表面很好的超双疏性。该专利中的含氟含硅共聚物所制备的超双疏材料性能也十分优异，可在纺织物和纸片的表面上构筑一层疏水疏油自清洁界面。但同样能存在需要使用含氟溶剂且待处理的表面需含活性基团等的缺点，使用范围受到一定限制。

专利201110373304.9介绍了一种含氟纳米微球的制备及其用于耐久性超双疏表面的构筑，在纳米微球表面引发含氟含硅单体进行聚合，从而在其表面上形成一种由含氟和含硅单体聚合的分子刷，并以此纳米微球构筑一种超双疏界面。本专利构筑的超双疏材料的性能优异，不仅具有较好的疏水疏油接触角，同时具有很好的耐酸碱性，也有较好的耐候性。但是本专利中的含氟纳米微球需要分散在含氟溶剂中，且表面没有粘结性基团，因此粘接性也不是很强。

总之，尽管目前国际上发表的文章和专利中提到超双疏材料性能十分优异，然而还没有相关方面的真正大规模工业化产品出现，主要是一些基本问题没有解决：(1)含氟纳米微球的分散性问题：由于含氟聚合物的表面能很低，在绝大多数非氟溶剂中都难以溶解，因此需要采用含氟溶剂来实现含氟纳米微球的分散。而含氟溶剂不仅价格昂贵、且有毒，不利于施工和环保。(2)含氟纳米微球的粘结性问题：目前报道的专利和文献中所制备的超双疏纳米微球表面上都是含氟聚合物，没有粘接性官能团，因此所制备的超双疏性纳米微球存在粘接性不牢的缺点。

本专利拟在之前发表的专利的基础上，针对上述问题，采用可断裂反应对含氟聚合物进行进一步的改性，引入一种具有可分散在普通无氟溶剂和可粘接在绝大多数基材表面上的环氧树脂型聚合物。一方面改变原有含氟纳米微球必须分散在含氟溶剂的缺陷，同时提高其在不同基材表面上的粘接性能，从而解决了当前超双疏材料应用时所存在的绝大部分问题。从而可有助于实现自清洁涂料的工业化生产。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种具有高分散型和粘接性的含氟纳米微球。

本发明的另一目的在于提供上述含氟纳米微球的制备方法。

本发明的再一目的在于提供一种具有自清洁功能的超双疏材料，该超双疏材料是由上述兼具高分散性和高粘接性的含氟纳米微球制备得到的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球，是在纳米微球表面接枝上端基为化合物D的含氟聚合物，然后再通过狄尔斯-阿尔德反应，将端基为化合物A的环氧树脂聚合物与含氟聚合物连接，得到了同时具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球。

所述纳米微球为二氧化硅微球、氧化铝微球、二氧化钛微球、碳酸钙微球、氧化铁微球或表面含有羟基的聚合物纳米微球中的一种，优选二氧化硅微球；

所述纳米微球的粒径为50-1000nm。

所述端基为化合物D的含氟聚合物是由单体SI聚合而成的聚合物SI_x，单体F聚合而成的聚合物F_y、化合物D三个部分所组成的，具有如式I所示的结构：

-SI_x-F_y-D-

(式I)

其中，单体SI为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三丙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三异丙氧基硅烷中的一种；优选地，单体SI为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷；

单体F为全氟苯乙烯、全氟正丙基乙烯基醚、全氟己基乙烯、全氟丁基乙烯、全氟十二烷基乙基丙烯酸酯、全氟癸基乙基丙烯酸酯、全氟辛基乙基丙烯酸酯、全氟庚基乙基丙烯酸酯、全氟十二烷基乙基甲基丙烯酸酯、全氟癸基乙基甲基丙烯酸酯、全氟辛基乙基甲基丙烯酸酯或全氟庚基乙基甲基丙烯酸酯中的一种；优选地，单体F为全氟辛基乙基丙烯酸酯；

化合物D为具有亲二烯烃的物质，优选以下物质中的一种：

化合物D特别优选对酰氯苯基马来酰亚胺、甲基丙烯酸苯基马来酰亚胺酯或溴异丁酸马来酰亚胺酯；

1＜x＜250，1＜y＜250；优选地，15≤x≤20，30≤y≤100；

上述端基为化合物D的含氟聚合物可通过自由基聚合、原子转移自由基聚合或阴离子聚合的方法制备得到。

所述端基为化合物A的环氧树脂聚合物是一种具有环氧基团的聚合物，其具有如式II所示的结构：

-A-EPOXY

(式II)

EPOXY为带有环氧基团的聚合物，优选聚甲基丙烯酸缩水甘油醚(分子量为50-2000)或聚丙二醇二缩水甘油醚(分子量为50-2000)；

化合物A为具有共轭双键的物质，优选以下物质中的一种：

化合物A特别优选溴异丁酸呋喃醇酯或甲基丙烯酸糠醇酯；

上述具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球由以下步骤制备得到：

(1)将纳米微球用含氟溶剂溶解，然后加入端基为化合物D的含氟聚合物，再加入催化剂，20-60℃反应下5-24小时；得到表面接枝有含氟聚合物的纳米微球；纳米微球与端基为化合物D的含氟聚合物的质量比为1∶(0.07-2)；

(2)将表面接枝有含氟聚合物的纳米微球用含氟溶剂溶解，将端基为化合物A的环氧树脂型聚合物用溶剂C溶解，然后将两者混合，10-65℃下搅拌12-100小时，进行狄尔斯-阿尔德反应，得到一种同时具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球；所述的表面接枝有含氟聚合物的纳米微球与端基为化合物A的环氧树脂型聚合物的质量比为1∶(0.1-50)。

步骤(1)所述的催化剂优选盐酸；

所述的含氟溶剂优选三氟甲苯、全氟苯或三氟乙烷中的一种；

所述的溶剂C为三氟甲苯、全氟苯、三氟乙烷、无水乙醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、氯仿、四氢呋喃、甲苯、丙酮或二氧六环中的一种。

一种超双疏性表面，由以下方法制备得到：

(1)基底材料预处理；

(2)将上述的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球分散在低沸点的溶剂D中，然后再加入环氧树脂固化剂E，超声或搅拌，使微球均匀地分散在其中，得到含氟纳米微球的悬浮溶液；

(3)搅拌下将微球悬浮溶液喷涂在基底材料表面，真空干燥，即得到超双疏性表面；

步骤(1)所述的基底材料为无机非金属材料、金属材料、高分子材料或复合材料中的一种；优选玻璃、滤纸、塑料、钢板、棉布或陶瓷中的一种；

玻璃的预处理方法是：将玻璃表面清洗干净，去除油污；

滤纸、钢板、塑料和棉布的预处理方法是：依次用乙醇、水洗涤，然后干燥；

陶瓷的预处理方法是：用稀酸浸泡过夜，然后依次用乙醇、水洗涤，最后干燥。

步骤(2)所述的溶剂D为二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃、乙酸乙酯或四氢呋喃中的一种；

步骤(2)所述超声溶解的时间为1-30min，以使微球分散在含氟溶剂中为准；

步骤(2)中所述的环氧树脂固化剂E主要为脂肪胺类和脂肪胺类物质，优选二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、己二胺、(2，3-二甲基)二亚丁基三胺甲基环戊二胺、三乙胺、三乙醇胺、二乙醇胺、二甲基苯胺或苄基二甲胺中的一种；

步骤(2)中，具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球与环氧树脂固化剂E的质量比为1∶(0.048-0.168)；

步骤(3)所述干燥是在30-50℃下干燥2-8小时，再升温度到120-180℃下，真空干燥2-8小时。

本发明的超双疏性表面可应用在建筑建材、电力和军事设备、包装材料和厨卫用具表面、输油管道、金属加工等方面的防腐和自清洁。

本发明的原理是：制备超双疏材料要满足两个条件，即(1)构筑粗糙凸凹不平的表面，或是一种微米纳米结构的粗糙表面；(2)表面的表面能很低。因此在本发明中，首先引入粒径为10-1000nm的微球，就是在涂料表面构筑粗糙凸凹不平的微纳表面。然后再在微球表面化学接枝上含氟聚合物(通过含氟单体合成的)，从而构筑低表面能的界面，以此实现材料的超双疏性。但是这种表面接枝有低表面能的含氟聚合物微球，在大多数溶剂中难以分散，除非是价格昂贵且有毒性的含氟溶剂，因此难以用表面接枝有含氟聚合物的纳米微球制备具有超双疏性能的自清洁涂料。为了解决这一困难，将合成的一端为可进行D-A反应的化合物D的含氟聚合物自组装到纳米微球表面，再通过加热可断裂的D-A反应引入同时具有可分散性和粘结性的环氧树脂聚合物，并以此来实现超双疏微球的均匀分散，在避免使用含氟溶剂的同时实现含氟纳米微球在绝大多数基材表面上的粘接。从而拓展了含氟纳米微球的应用范围和应用领域。

将高分散性含氟纳米微球溶液喷涂在基材表面，由于经过D-A反应的聚合物在高温下会原位分解，因此经过D-A反应的含氟纳米微球和环氧树脂聚合物会在高温下断裂，断裂后环氧树脂部分会与溶剂中的固化剂进行固化反应，将含氟超双疏性微球固定在基材表面。这样就会在基材的表面形成一层结构粗糙、表面能低的、具有粘接性和超双疏功能的微球。从而可在基材表面形成一层具有自清洁功能的界面。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明利用微球的粒径构筑粗糙表面，利用嵌段含氟聚合物在纳米微球表面上自组装，并以此构筑低表面能界面，来实现其优异的疏水疏油性。同时在嵌段含氟聚合物上再接枝上同时具有粘接性和高分散性环氧树脂聚合物，因此可避免使用含氟溶剂。同时由于分散性聚合物中含有环氧官能团，利用溶剂中的环氧树脂固化剂，可与环氧基发生固化反应，将含氟纳米微球固定在绝大多数基材(包括纺织物、聚合物、陶瓷、建筑物、金属基材、纸片等)表面，因此可解决含氟纳米微球在基材表面上的粘接性问题。

(2)本发明中是通过D-A反应将具有高分散性和粘接性的环氧树脂聚合物部分引入到含氟纳米微球表面上的，经过D-A反应的化学键在高温下会发生断裂，因此接枝在含氟纳米微球表面上的环氧树脂型聚合物断裂下来，从而不会影响其超双疏性能。

(3)本发明超双疏性微球还可应用在很多其他的超双疏材料的制备方面更。本发明制备的超双疏涂料，具有十分广阔的应用前景，由于其获得的表面具有很好的稳定性及很好的超双疏性能，因此，可广泛的应用于电力、军事、建筑及厨卫用具等生产生活的各个方面。

附图说明

图1是本发明实施例8步骤(1)得到的表面接枝有含氟聚合物的二氧化硅微球的结构示意图。

图2是本发明实施例8得到的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球结构示意图。

图3是本发明实施例9步骤(1)得到的表面接枝有含氟聚合物的二氧化硅微球的结构示意图。

图4是本发明实施例9得到的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

端基为化合物D的含氟聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)羟基ATRP引发剂(HEBI)的合成

在25g乙二醇(糠醇)中加入4ml三乙胺，放置在冰水浴下，缓慢滴入2.5ml2-溴异丁酰溴，自然升温到室温下反应4h，然后再用饱和碳酸氢钠溶液对其进行洗涤3遍，再用纯净水洗涤到中性，然后用无水硫酸镁干燥，除去二氯甲烷，得到粘稠液体状物质，再减压蒸馏得到带有羟基的ATRP引发剂(HEBI)，

核磁谱图分析为：1H NMR(CDCl₃，δ，ppm)：4.35(q，1H，J＝6.89Hz)，4.19(t，2H，J＝4.75Hz)，3.75(t，2H，J＝4.75Hz)，3.00(s，1H，OH)，1.75(d，3H，J＝6.96Hz).13C NMR(CDCl₃，δ)：170.53，67.18，60.35，39.93，21.50.因此可推断其结构式如下所示：

(2)采用ATRP法合成含氟含硅嵌段聚合物(PIPSMA-b-PFOEMA)

在100ml的圆底烧瓶中加入1.852g全氟辛基乙基丙烯酸酯、0.203g HEBI、0.737g 4，4′-二壬基-2，2′-联吡啶和4ml三氟甲苯，将反应体系搅拌溶解，通氩气鼓泡30min，再除氧，然后将反应体系转移到装有0.1294g溴化亚铜的100ml的圆底烧瓶中，在90℃进行聚合反应8h，反应产物沉淀在甲醇中，甲醇洗后用正己烷洗，然后在40℃条件下真空干燥24h至恒重，得到产物PFOEMA，也就是聚全氟辛基乙基丙烯酸酯型大分子引发剂，其端基团为羟基。

在100ml的圆底烧瓶中加入1.252g聚全氟辛基乙基丙烯酸酯型大分子引发剂(PIPSMA)、15g甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、0.837g 4，4′-二壬基-2，2′-联吡啶和4ml三氟甲苯，将反应体系搅拌溶解，通氩气鼓泡30min，再除氧，然后将反应体系转移到装有0.1294g溴化亚铜的100ml的圆底烧瓶中，在90℃进行聚合反应8h，反应产物沉淀在甲醇中，甲醇洗后用正己烷洗涤，然后在室温下条件下真空干燥24h至恒重，得到端基为羟基的含氟聚合物，即HEBI-(PFOEMA-b-PIPSMA)，其端基团为羟基。其结构如下所示：

(3)在含氟含硅嵌段聚合物端基上接枝化合物D

将0.25g对酰氯苯基马来酰亚胺(ρ-CPMIC)溶解在100ml无水二氯甲烷中，加入2.1ml三乙胺，在冰水浴条件下缓慢滴入1.25g带有羟基的含氟聚合物HEBI-(PFOEMA-b-PIPSMA)。自然升温到室温下反应10h，然后再用饱和碳酸氢钠溶液对其进行洗涤3遍，再用纯净水洗涤到中性，然后用无水硫酸镁干燥，除去二氯甲烷，得到粘稠液体状物质，再减压蒸馏得到带有带马来酸酐官能团的丙烯酸类单体，即马来酰胺基甲基丙烯酸酯(ρ-CPMIC-HEBI-(PFOEMA-b-PIPSMA))。

凝胶排阻色谱对聚合物的表征结果为：聚合物的数均分子量为1.8270×10⁴克/摩尔，分散性指数为1.21。对产物的波谱分析如下：¹H-NMR(六氟苯/CDCl₃＝2/1体积比)：2.60(m，-CH₂-(CF₂)₇CF₃，2H)，3.42(m，-O-CH₃，3H)，0.65(n，-CH₂-Si(OCH₃)₃，2H)；推断本实施例的产物结构如式III所示，其中m为30，n为15。

实施例2

端基为化合物D的含氟聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)马来酰亚胺基甲基丙烯酸酯的合成

将1.25gρ-CPMIC溶解在50ml无水二氯甲烷中，加入2.1ml三乙胺，在冰水浴条件下缓慢滴入1.21ml带有羟基的ATRP引发剂甲基丙烯酸羟基乙酯。自然升温到室温下反应10h，然后再用饱和碳酸氢钠溶液对其进行洗涤3遍，再用纯净水洗涤到中性，然后用无水硫酸镁干燥，除去二氯甲烷，得到粘稠液体状物质，再减压蒸馏得到带有带马来酸酐官能团的丙烯酸类单体，即马来酰胺基甲基丙烯酸酯(ρ-CPMIC-HEMA)。

对产物的波谱分析如下：1H-MR(CDCl3作溶剂)：6.94(马来酰亚胺上的氢，2H)，7.85，7.95(苯基上的氢，4H)，1.93(CH3，3H)；推断本实施例的产物结构如下所示：

(2)采用阴离子聚合物发含氟含硅嵌段聚合物(PIPSMA-b-PFOEMA-D)

在-78℃下(干冰丙酮浴)，于装有250毫升无水四氢呋喃的三口烧瓶中加入0.19毫升(1.09毫摩尔)1，1-二苯基乙烯，接着加入0.6毫升1.4摩尔/升的仲丁基锂的己烷溶液。25分钟后加入5.19毫升(14.6毫摩尔)甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，聚合反应进行2小时以后加入26.0毫升(78毫摩尔)全氟辛基乙基丙烯酸酯，聚合反应再持续2小时后，加入0.1g步骤(1)中合成的马来酰亚胺基甲基丙烯酸酯，聚合反应再持续2小时后再加入1.0毫升无水甲醇终止聚合反应。反应体系升温到23℃后减压蒸馏浓缩至100毫升，而后将聚合物沉淀在过量的甲醇中，过滤并于真空烘箱中干燥，得到端基为化合物D的含氟聚合物，即PFOEMA-b-PIPSMA，其端基团为马来酰亚胺基团。

凝胶排阻色谱对聚合物的表征结果为：聚合物的数均分子量为5.4123×10⁴克/摩尔，分散性指数为1.31。对产物的波谱分析如下：¹H-NMR(六氟苯/CDCl₃＝2/1体积比)：2.60(m，-CH₂-(CF₂)₇CF₃，2H)，3.42(m，-O-CH₃，3H)，0.65(n，-CH₂-Si(OCH₃)₃，2H)；推断本实施例的产物结构如下所示，其中m为100，n为20。

实施例3

端基为化合物A的环氧树脂型聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)呋喃环引发剂(溴异丁酸呋喃醇酯)的合成

将1.5g呋喃醇(糠醇)分散在30ml无水二氯甲烷中，加入4ml三乙胺，在冰水浴条件下缓慢滴入2ml 2-溴异丁酰溴，自然升温到室温下反应4h，然后再用饱和碳酸氢钠溶液对其进行洗涤3遍，再用纯净水洗涤到中性，然后用无水硫酸镁干燥，除去二氯甲烷，得到粘稠液体状物质，再减压蒸馏得到呋喃环引发剂。

对产物的波谱分析如下：¹H-NMR(CDCl₃做溶剂)：7.30，6.25，6.19(呋喃环上的氢，3H)，5.19(糠醇上亚甲基上的氢，2H)，2.02(二溴异丁酰溴上的氢，6H)；推断本实施例的产物结构如下所示：

(2)采用ATRP法合成聚甲基丙烯酸甲酯缩水甘油醚

在100ml的圆底烧瓶中加入2.852g甲基丙烯酸缩水甘油醚、0.203g 2-溴异丁酸呋喃醇酯、0.237g 4，4′-二壬基-2，2′-联吡啶和3ml苯甲醚，将反应体系搅拌溶解，通氩气鼓泡30min，再除氧，然后将反应体系转移到装有0.1124g溴化亚铜的50ml的圆底烧瓶中，在40℃进行聚合反应2h，反应产物沉淀在甲醇中，甲醇洗后用正己烷洗，然后在室温下真空干燥24h至恒重，得到产物PGMA，其端基团为呋喃环。

对产物的波谱分析如下：¹H-NMR(氘代氯仿CDCl3作为溶剂)：7.30，6.25，6.16(呋喃环上氢原子，3H)，2.63(环氧基团上氢，2H)，呋喃环与环氧基团之间的摩尔比为1∶20。同时凝胶排阻色谱对该聚合物的表征结果为：聚合物的数均分子量为3021克/摩尔，分散性指数为1.16。推断本实施例的产物结构如下所示：

实施例4

端基为化合物A的环氧树脂型聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)甲基丙烯酸糠醇酯的合成

将1.23g呋喃醇(糠醇)分散在20ml无水四氢呋喃中，加入2ml三乙胺，在冰水浴条件下缓慢滴入2.5ml甲基丙烯酰氯，自然升温到室温下反应24h，然后再用饱和碳酸氢钠溶液对其进行洗涤3遍，再用纯净水洗涤到中性，然后用无水硫酸镁干燥，除去四氢呋喃，得到粘稠液体状物质，再减压蒸馏得到甲基丙烯酸糠醇酯。

对产物的波谱分析如下：¹H-NMR(CDCl₃做溶剂)：7.30，6.25，6.19(呋喃环上的氢，3H)，5.19(糠醇上亚甲基上的氢，2H)，1.78(CH₃，3H)；推断本实施例的产物结构如下所示：

(2)采用阴离子聚合物发含氟含硅嵌段聚合物(PIPSMA-b-PFOEMA-D)

在-78℃下(干冰丙酮浴)，于装有250毫升无水四氢呋喃的三口烧瓶中加入0.19毫升1，1-二苯基乙烯，接着加入0.6毫升1.4摩尔/升的仲丁基锂的己烷溶液。25分钟后加入25.19毫升甲基丙烯酸甲酯缩水甘油醚，聚合反应进行1小时以后加入1.24毫升甲基丙烯酸糠醇酯，聚合反应再持续2小时后再加入1.0毫升无水甲醇终止聚合反应。反应体系升温到23℃后，蒸馏浓缩至100毫升，而后将聚合物沉淀在过量的甲醇中，过滤并于真空烘箱中干燥，得到聚合物PGMA，其端基团为呋喃环。

对产物的波谱分析如下：¹H-NMR(氘代氯仿CDCl3作为溶剂)：7.30，6.25，6.16(呋喃环上氢原子，3H)，2.63(环氧基团上氢，2H)，呋喃环与环氧基团之间的摩尔比为1∶80。同时凝胶排阻色谱对该聚合物的表征结果为：聚合物的数均分子量为11521克/摩尔，分散性指数为1.21。因此可推断本实施例的产物结构如下所示：

实施例5

二氧化硅微球的合成：

在100ml的圆底烧瓶中加入50ml无水乙醇、2ml去离子水和2ml氨水，然后滴加2ml正硅酸四乙酯，25℃下反应24后，产物用无水乙醇离心洗涤三次，得到的二氧化硅微球进行冷冻真空干燥，最终所得二氧化硅微球粒径为150±7nm。

实施例6

表面含有羟基的聚合物纳米微球的制备：

在搅拌下，于500毫升的三口烧瓶中逐步加入130毫升蒸馏水，4.80克(48.0毫摩尔)甲基丙烯酸甲酯和0.4克(2.0毫摩尔)二甲基丙烯酸乙二醇酯的混合物，以及41毫克(0.15微摩尔)过二硫酸钾水溶液(5毫升)。反应体系在25℃下鼓氮气15分钟以去除体系中的氧气。而后油浴中加热至90℃，并反应2小时。

从上述体系中取出43毫升溶液，加入到250毫升充有氮气的三口烧瓶中，并加入0.5毫升溶有2.4毫克(14.6微摩尔)偶氮二异丁腈四氢呋喃溶液。25℃下搅拌15分钟以后加热至90℃。随后缓慢加入含有0.4克(1.9毫摩尔)2-氯丙酸乙二醇二酯，40微升(0.21微摩尔)二甲基丙烯酸乙二醇酯以及0.67克(6.7毫摩尔)甲基丙烯酸甲酯的混合液。加完以后继续反应4小时得到具有核壳结构的聚合物微球。

在50毫升的反应瓶中，将13.6毫克上述核壳型聚合物微球分散到5毫升体积比为1∶1的乙醇和水的混合液中。然后依次加入23毫克(0.16毫摩尔)溴化亚铜，2.3毫克(0.010毫摩尔)溴化铜，64.5毫克(0.28毫摩尔)三-(N，N-二甲氨基乙基)胺(Me6TREN)以及0.3728克(3.21毫摩尔)丙烯酸羟基乙撑酯。体系经过三次冷冻-抽真空-融化-鼓氮气的循环以后于75℃下反应10小时。产物在水中透析以去除催化体系和其他小分子杂质。干燥后得到具有核壳壳型的表面含有羟基聚合物微球，其粒径为365nm±5nm。

实施例7

二氧化硅微球的制备：

在100ml的圆底烧瓶中加入50ml无水乙醇、3ml去离子水和3ml氨水，然后滴加2ml正硅酸四乙酯，25℃下反应24后，产物用无水乙醇离心洗涤三次，得到的二氧化硅微球进行冷冻真空干燥，最终所得二氧化硅微球粒径为350±10nm。

实施例8

一种具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)端基为化合物D的含氟聚合物在二氧化硅微球表面上的自组装

取4.0毫升的α，α，α-三氟甲苯和6.0毫克实施例5得到的二氧化硅微球置于20毫升小瓶中，小瓶放入超声清洗仪中超声60秒使硅球分散在α，α，α-三氟甲苯中。端基为化合物D的含氟聚合物(即实施案例1中合成的物质)配成5.0毫克/毫升的四氢呋喃溶液得到聚合物混合溶液。在搅拌下，逐步向二氧化硅微球的溶液中加入0.08毫升聚合物混合溶液、0.24ml四氢呋喃、0.08毫升(浓度1mol/L)盐酸溶液和3.0微升水，22℃下反应10小时，得到改性纳米硅球粗产物。粗产物于3050g离心分离10分钟以后用2.0毫升α，α，α-三氟甲苯洗涤两次以去除未反应的聚合物、催化剂和副产物。产物在120℃烘箱中干燥2小时得到白色粉末，即表面接枝有含氟聚合物的二氧化硅微球，其结构如图1所示。

(2)表面接枝有端基为化合物D含氟聚合物型纳米微球与端基为化合物A的高分散性聚合物之间的D-A反应

取0.25g步骤(1)中合成的二氧化硅微球，溶于3ml三氟甲苯中。同时取0.30g实施例3合成的物质，溶于2.5ml二氯甲烷中。将两者混合到20ml的反应烧瓶中，放置在65℃的油浴锅中搅拌12小时，再离心，用丙酮洗涤3遍之后；得到一种高分散性含氟纳米微球，其结构如图2所示。

实施例9

一种具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)端基为化合物D的含氟聚合物在二氧化硅微球表面上的自组装

取4.0毫升的α，α，α-三氟甲苯和6.0毫克实施例7得到的二氧化硅微球置于20毫升小瓶中，小瓶放入超声清洗仪中超声60秒使硅球分散在α，α，α-三氟甲苯中。端基为化合物D的含氟聚合物(即实施案例2中合成的物质)配成5.0毫克/毫升的四氢呋喃溶液得到聚合物混合溶液。在搅拌下，逐步向二氧化硅微球的溶液中加入0.08毫升聚合物混合溶液、0.24ml四氢呋喃、0.08毫升(浓度为1mol/L的)盐酸溶液和3.0微升水，22℃下反应10小时，得到改性纳米硅球粗产物。粗产物于3050g离心分离10分钟以后用2.0毫升α，α，α-三氟甲苯洗涤两次以去除未反应的聚合物、催化剂和副产物。产物在120℃烘箱中干燥2小时得到白色粉末，即表面接枝有含氟聚合物的二氧化硅微球，其结构如图3所示。

(2)表面接枝有端基为化合物D含氟聚合物型纳米微球与端基为化合物A的高分散性聚合物之间的D-A反应

取0.25g步骤(1)中合成的二氧化硅微球，溶于2ml三氟甲苯中。同时取0.30g实施例4合成的物质，溶于2.5ml二氯甲烷中。将两者混合到20ml的反应烧瓶中，放置在45℃的油浴锅中搅拌100小时，再离心，用丙酮洗涤3遍之后；得到一种高分散性含氟纳米微球，其结构如图4所示。

实施例10

一种超双疏性表面的制备方法，包括以下步骤：

取0.15g实施例8制备的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球，将其分散在10ml二氯甲烷中，再加入0.011g二乙烯三胺，超声处理20秒，然后分别涂敷在玻璃，钢板，棉布和滤纸的表面，再将其放置在120℃下干燥，则可分别在玻璃、棉布和滤纸得到一种具有自清洁功能的环氧树脂涂层，其在棉布表面上性能见表1。(四种不同材料表面上的超双疏性能差别不大，为了方便与后面对比例进行比较，在此只列举棉布上的超双疏性能。下同)

实施例11

一种超双疏性表面的制备方法，包括以下步骤：

取0.25g实施例9制备的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球，将其分散在20ml丙酮中，再加入0.021g三乙烯四胺，超声处理20秒，然后分别涂敷在玻璃，钢板，棉布和滤纸的表面，将其放置再100℃下干燥，则可分别在玻璃、钢板、棉布和滤纸得到一种具有自清洁功能的环氧树脂涂层，其在棉布表面上性能见表1。

实施例12

一种超双疏性表面的制备方法，包括以下步骤：

取0.25g实施例9中制备的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球，将其分散在40ml四氢呋喃中，再加入0.012g己二胺，超声处理20秒，然后分别涂敷在玻璃，钢板，棉布和滤纸的表面，再将其放置在110℃下干燥，则可分别在玻璃、钢板、棉布和滤纸得到一种具有自清洁功能的环氧树脂涂层，其中涂敷在棉布上的疏水疏油性能见表1。

实施例13

一种超双疏性表面的制备方法，包括以下步骤：

取0.125g实施例8制备的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球，将其分散在30ml乙酸乙酯中，再加入0.021g三乙胺，超声处理60秒，然后分别涂敷在玻璃，钢板，棉布和滤纸的表面，将其放置在110℃下干燥，则可分别在玻璃、棉布和滤纸得到一种具有自清洁功能的环氧树脂涂层，其在棉布表面上性能见表1。

对比例

一种超双疏性表面的制备，包括以下步骤：

(1)合成超双疏性聚合物

在100ml的圆底烧瓶中加入15g全氟辛基乙基丙烯酸酯、1.852g甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、0.203g2-溴异丁酸单甲氧基乙二醇酯、0.737g 4，4′-二壬基-2，2′-联吡啶和4ml三氟甲苯，将反应体系搅拌溶解，通氩气鼓泡30min，再除氧，然后将反应体系转移到装有0.1294g溴化亚铜的100ml的圆底烧瓶中，在90℃进行聚合反应8h，反应产物沉淀在甲醇中，甲醇洗后用正己烷洗，然后在40℃条件下真空干燥24h至恒重，得到产物，其结构式如下所示：

其中m为43，n为9

(2)合成二氧化硅微球

在100ml的圆底烧瓶中加入50ml无水乙醇、2ml去离子水和2ml氨水，然后滴加2ml正硅酸四乙酯，25℃下反应24后，产物用无水乙醇离心洗涤三次，得到的二氧化硅微球进行冷冻真空干燥，最终所得二氧化硅微球粒径为150±7nm。

(3)制备超双疏性表面

3.1、取棉布条依次用乙醇、水洗涤，然后干燥，备用；

3.2、将5mg实施例5中的二氧化硅微球置于2ml三氟甲苯中，经过3min超声溶解，使微球分散在三氟甲苯中，得到微球溶液。

3.3、在搅拌下，向微球溶液中加入步骤(1)所制备的超双疏性聚合物20mg、0.2mol/L的盐酸四氢呋喃溶液40微升和5微升的水，同时，放入干净的棉布条，20℃下反应12h，将棉布条取出，用三氟甲苯洗涤三次，甲醇洗涤三次，然后用水洗涤三次，真空干燥，得到具有超双疏性表面的棉布条。棉布条表面的水接触角为155°，油接触角为146°，水和油的滚动角都是5°。用四氢呋喃漂洗10次后，接触角不变。

表1各实施例最终产物性能总结

注：1.WCA，水接触角，OCA，油接触角，SA油滚动角。共聚物接触角和滚动角在25℃下测定，水接触角用去离子水进行测定，液滴量为6μl，油接触角用食用油进行测定，液滴量为8μl，滚动角采用倾斜板方法进行测定。

实施例10-13是在含氟纳米微球表面上接枝上了同时具有可分散在非含氟溶剂和具有粘接性的环氧树脂聚合物，而对比例则是单纯的含氟纳米微球(即已经报道的超双疏材料的制备方法，专利201110373304.9，201110266897.9)，从实施案例10-13来看，利用D-A反应在含氟纳米微球表面上接枝环氧树脂型聚合物之后，一方面可摒弃了有毒的含氟溶剂，提高其在非含氟溶剂中的分散性。另外一方面，接枝在含氟微球表面的环氧树脂型聚合物在绝大多数基材表面具有较强的粘接性，因此这种含氟纳米微球可分散在低沸点的非含氟溶剂(如丙酮中)。将其喷涂在基材表面，然后对其进行加热，涂料中低沸点溶剂在挥发的同时环氧基团与溶剂中固化剂进行反应，从而可将含氟纳米微球固定在基材表面。同时进一步高温加热之后，上述经过D-A反应接枝上去的环氧树脂聚合物可脱落，含氟纳米微球向涂料的表面迁移(因为含氟聚合物的表面能较低，与环氧树脂不相容，因此具有自分层趋势)，待到温度降低到室温下，脱落的部分环氧树脂聚合物又可以与含氟纳米微球发生D-A结合反应，可将含氟纳米微球固定在基材表面。从而可在环氧树脂表面构筑一层超双疏涂层，使得该表面具有较好的自清洁功能。

因此，相对于对比例来讲，实施案例10-13中的含氟纳米微球通过D-A反应，实现超双疏环氧树脂涂料的制备，利用环氧树脂提高超双疏材料的粘接性，同时解决了含氟溶剂的问题，也拓展了超双疏材料的应用范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球，其特征在于：是在纳米微球表面接枝上端基为化合物D的含氟聚合物，再将端基为化合物A的环氧树脂聚合物与含氟聚合物连接后得到的；

所述纳米微球的粒径为50-1000nm；

所述端基为化合物D的含氟聚合物具有如式I所示的结构：

-SI_x-F_y-D-

(式I)

其中，单体SI为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三丙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三异丙氧基硅烷中的一种；

单体F为全氟苯乙烯、全氟正丙基乙烯基醚、全氟己基乙烯、全氟丁基乙烯、全氟十二烷基乙基丙烯酸酯、全氟癸基乙基丙烯酸酯、全氟辛基乙基丙烯酸酯、全氟庚基乙基丙烯酸酯、全氟十二烷基乙基甲基丙烯酸酯、全氟癸基乙基甲基丙烯酸酯、全氟辛基乙基甲基丙烯酸酯或全氟庚基乙基甲基丙烯酸酯中的一种；

化合物D为以下物质中的一种：

1＜x＜250，1＜y＜250；

所述端基为化合物A的环氧树脂聚合物具有如式II所示的结构：

-A-EPOXY

(式II)

EPOXY为聚甲基丙烯酸缩水甘油醚或聚丙二醇二缩水甘油醚； 

化合物A为以下物质中的一种：

2.根据权利要求1所述的具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球，其特征在于：

所述的单体SI为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷；

所述的单体F为全氟辛基乙基丙烯酸酯；

所述的化合物D为对酰氯苯基马来酰亚胺、马来酰亚胺基甲基丙烯酸酯或溴异丁酸马来酰亚胺酯；

15≤x≤20，30≤y≤100。

3.根据权利要求1所述的具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球，其特征在于：

所述纳米微球为二氧化硅微球、氧化铝微球、二氧化钛微球、碳酸钙微球、氧化铁微球或表面含有羟基的聚合物纳米微球中的一种；

所述的化合物A为溴异丁酸呋喃醇酯或甲基丙烯酸糠醇酯。

4.根据权利要求1所述的具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球，其特征在于：所述的纳米微球为二氧化硅微球。

5.权利要求1-4任一项所述的具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将纳米微球用含氟溶剂溶解，然后加入端基为化合物D的含氟聚合物，再加入催化剂，20-60℃反应下5-24小时；得到表面接枝有含氟聚合物的纳米微球；纳米微球与端基为化合物D的含氟聚合物的质量比为1∶(0.07-2)；

(2)将表面接枝有含氟聚合物的纳米微球用含氟溶剂溶解，将端基为化合物A的环氧树脂型聚合物用溶剂C溶解，然后将两者混合，10-65℃下搅拌12-100小时，得到具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球；所述的表面接枝有含氟聚合 物的纳米微球与端基为化合物A的环氧树脂型聚合物的质量比为1∶(0.1-50)；

步骤(1)所述的催化剂为盐酸；

所述的溶剂C为三氟甲苯、全氟苯、三氟乙烷、无水乙醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、氯仿、四氢呋喃、甲苯、丙酮或二氧六环中的一种。

6.根据权利要求5所述的具有高分散性和粘接性的含氟纳米微球的制备方法，其特征在于：所述的含氟溶剂为三氟甲苯、全氟苯或三氟乙烷中的一种。

7.一种超双疏性表面，其特征在于是由以下方法制备得到：

(1)基底材料预处理；

(2)将权利要求1-4任一项所述的具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球分散在溶剂D中，然后再加入环氧树脂固化剂E，超声或搅拌，使微球均匀地分散在其中，得到含氟纳米微球的悬浮溶液；

(3)搅拌下将微球悬浮溶液喷涂在基底材料表面，真空干燥，即得到超双疏性表面；

步骤(2)所述的溶剂D为二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃、乙酸乙酯或四氢呋喃中的一种。

8.根据权利要求7所述的超双疏性表面，其特征在于：

步骤(1)所述的基底材料为玻璃、滤纸、塑料、钢板、棉布或陶瓷中的一种；

步骤(2)中所述的环氧树脂固化剂E为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、己二胺、(2，3-二甲基)二亚丁基三胺甲基环戊二胺，三乙胺、三乙醇胺、二乙醇胺、二甲基苯胺或苄基二甲胺中的一种。

9.根据权利要求7所述的超双疏性表面，其特征在于：步骤(2)中，具有高分散性和粘结性的含氟纳米微球与环氧树脂固化剂E的质量比为1∶(0.048-0.168)。

10.权利要求7-9任一项所述的超双疏性表面在建筑建材、电力设施、军事设备、包装材料、厨卫用具表面、输油管道、金属加工或船舶中的应用。 

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