CN114769094B - 一种聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、将单体与固化剂按一定比例混合得到聚合物体系，向聚合物体系中加入有机溶剂A后喷涂在所需要的基材表面，在20~150℃预固化0~10h；步骤二、在步骤一得到的基材表面喷涂一层含有多活性位点分子的溶液，在0~200℃固化0~10h；步骤三、在步骤二得到的基材表面喷涂一层分子刷溶液，在20~200℃固化0~48 h；步骤四、用有机溶剂B清洗掉未接枝的聚硅氧烷，得到聚硅氧烷分子刷涂层。本发明制备工艺简单，不影响聚合物涂层的交联固化过程，喷涂工艺适用于不同表面，适合大面积制备。

Description

一种聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种在聚合物表面制备硅氧烷分子刷涂层的方法。
背景技术
分子刷超润滑涂层的制备方法有表面接枝法与涂敷法，其中：表面接枝法是指通过将低表面能链段（如全氟聚醚链段、PDMS链段等）接枝在基材表面形成（聚合物）单分子层以达到超润滑、防沾污的效果，可将带有一端可反应基团（如巯基、羧基、硅氯烷等）的化合物接枝在基材表面形成一层分子刷单分子层。该方法受基底材料的限制，需要基底材料表面平整，同时可以表面处理后在表面形成大量的活性基团。表面涂覆是一种高效、低成本的材料沉积方法，可分为浸涂、喷涂、旋涂等，可以与多孔材料、薄膜／网格和颗粒等多种基底相容。由于聚合物表面可提供的接枝基团较少，无法通过表面直接接枝的方法制备分子刷层。一般将含有特定基团的聚硅氧烷（PDMS）与单体、交联剂混合，涂敷在基材表面，聚合后得到低表面能的PDMS分子刷润滑涂层。由于聚硅氧烷与聚合物之间的溶解度差异较大，容易导致二者相分离，从而在聚合物表面产生缺陷，这会影响聚合物涂层的交联密度及原本的性能。为了在聚合物网络中提供足够的交联位点结合更多的PDMS分子，可以使用含有多个官能团的交联剂（如树枝状分子），也可以将PDMS侧链修饰与聚合物体系相同的基团，避免相分离，但是该方法制备工艺复杂。
PDMS以胶束的形式存在于聚合物网络中，无法在聚合物表面形成高密度的分子刷，这导致低表面张力的液体容易滑落，高比表面张力的液滴则很难滑落（水，滑动角大于40°），无法同时适用于宽范围比表面张力的液滴排斥。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，该方法使用分步的策略来制备基于聚合物的PDMS刷涂层，对多种液体表现出排斥效果，通过在预固化的聚合物表面喷涂含有多个活性位点的分子后，然后直接在聚合物涂层表面喷涂PDMS刷，从而在聚合物涂层表面合成分子刷层，避免了直接混合导致PDMS相与聚合物涂层相分离，不影响聚合物涂层原有的性能，无论是低还是高比表面张力液滴（5µL）的滑动角均小于5°。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将单体与固化剂按一定比例混合得到聚合物体系，向聚合物体系中加入有机溶剂A后喷涂在所需要的基材表面，在20~150℃预固化0~10h，其中：
所述喷涂压强为0.01~5MPa；
所述单体、固化剂、有机溶剂A的体积比为1：0.1~1：1~10；
所述聚合物体系为环氧树脂、聚氨酯、聚碳酸脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯醚、聚砜、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂等固化交联体系中的一种；
所述环氧树脂固化交联体系中，环氧树脂单体为双酚A二缩水甘油醚，固化剂为多元胺、酸酐等中的一种；
所述多元胺为乙二胺的伯胺、二亚乙基三胺的伯胺、二亚乙基三胺的叔胺、聚醚胺等中的一种或多种；
所述酸酐为邻苯二甲酸酐、马来酸酐等中的一种或多种；
步骤二、在步骤一得到的基材表面喷涂一层含有多活性位点分子的溶液，在0~200℃固化0~10h，其中：
所述喷涂压强为0.01~5MPa；
所述多活性位点分子定义为：与固化剂的有效基团相同或与聚合物体系中单体或固化剂所含基团反应后形成共价键或相互作用结合的分子，单个多活性位点分子的有效基团数应大于等于2；
所述多活性位点分子可以为多元胺、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯三聚体等中的一种分子；
所述多元胺为间苯二甲胺、聚醚胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺、树枝状聚酰酰胺、十二胺、正辛胺、十六胺中的一种；
所述多活性位点分子溶液的浓度为0~5 mol/L，溶剂为乙醇、异丙醇、甲苯、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮等中的一种；
所述有机溶剂A为乙酸乙酯、异丙醇等中的一种；
步骤三、在步骤二得到的基材表面喷涂一层分子刷溶液，在20~200℃固化0~48 h；
所述喷涂压强为0.01~5MPa；
所述分子刷溶液的浓度为0.1~5 mol/L；
所述分子刷为活性基团封端的聚硅氧烷、活性基团封端的全氟聚醚等柔性分子链段中的一种；
所述聚硅氧烷封端的活性基团应与多活性位点分子的有效基团发生反应；
所述活性基团封端的聚硅氧烷为环氧基、胺基、巯基、乙烯基或羟基单（双）封端的聚硅氧烷中的一种；
步骤四、用有机溶剂B清洗掉未接枝的聚硅氧烷，得到聚硅氧烷分子刷涂层，其中：
所述有机溶剂B为异丙醇、甲苯、二甲苯中的一种。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、制备工艺简单，不影响聚合物涂层的交联固化过程，喷涂工艺适用于不同表面，适合大面积制备。
2、聚合物涂层不存在因为相分离而导致的表面缺陷，分步法制备的聚合物涂层表面平整光滑无缺陷。
3、高、低表面张力的液滴都可以以较低的滑动角从该涂层表面滑落，5µL液滴滑动角均小于5°。
4、可以根据实际需要任意更换聚合物基底与聚硅氧烷。
附图说明
图1为分步法制备聚合物基分子刷超润滑涂层的过程；
图2为实施例1中水（左）和十六烷（右）滑动照片；
图3为实施例1中涂层表面原子力显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
双酚A二缩水甘油醚与聚醚胺按1：0.5混合后，加入乙酸乙酯（环氧树脂固化体系与乙酸乙酯的体积比为1：3），喷涂在载玻片表面，在80℃预固化10min，然后喷涂（压强0.2MPa）一层含有2.5 mol/L五乙烯六胺的乙醇溶液，继续在120℃固化10 min，然后喷涂一层含有0.5 mol/L的环氧基单封端的聚硅氧烷的异丙醇溶液，最后在120℃固化2 h，用异丙醇清洗掉未接枝的聚硅氧烷，得到聚硅氧烷分子刷超润滑涂层。
由图2可知，高、低表面张力的液滴都可以以较低的滑动角从本实施例制备的聚合物涂层表面滑落，10µL液滴滑动角均小于5°，不同表面张力的液滴均可以以较低的滑动角滑落。由图3可知，本实施例制备的聚合物涂层表面平整光滑无缺陷。
实施例2：
将蓖麻油与异氰酸酯按1：0.5比例混合后，加入乙醇（聚氨酯固化体系与乙醇的体积比为1：5），喷涂在木板表面，50℃固化1h后，然后喷涂（压强0.1 MPa）一层含有3 mol/L六亚甲基二异氰酸酯三聚体的甲苯溶液，继续50℃固化1h后，然后喷涂一层1mol l/L的氨基单封端的聚硅氧烷的甲苯溶液，最后在50℃固化4 h，用异丙醇清洗掉未接枝的聚硅氧烷，得到聚硅氧烷分子刷超润滑涂层。
实施例3：聚酰亚胺体系
在冰水浴、氮气氛围及装有4,4-二氨基二苯醚 0.005mol 的 50ml 烧瓶中加入26ml N,N-二甲基甲酰胺，待溶解均匀后，半小时内分批投料加入 0.005mol 均苯四甲酸酐，反应5h后获得粘稠淡黄色聚酰胺酸（PAA）溶液。将PAA喷涂在玻璃板上，80℃干燥约 3h去除溶剂。然后喷涂（压强0.3 MPa）一层含有1 mol/L六亚甲基二异氰酸酯的二甲苯溶液，继续100℃固化1 h，然后喷涂一层2 mol l/L的羟基单封端的聚硅氧烷的异丙醇溶液，最后在200℃固化4 h，用异丙醇清洗掉未接枝的聚硅氧烷，得到聚硅氧烷分子刷超润滑涂层。
实施例4：
双酚A二缩水甘油醚与正辛胺按1：0.55混合后，加入乙酸乙酯（环氧树脂固化体系与乙酸乙酯的体积比为1：5），喷涂在载玻片表面，在100℃预固化5 min，然后喷涂（压强0.5MPa）一层含有1.5 mol/L六亚甲基二异氰酸酯三聚体的异丙醇溶液，继续在100℃固化10min，然后喷涂一层含有1.5 mol/L的羟基单封端的全氟聚醚的乙醇溶液，最后在130℃固化1.5 h，用甲苯清洗掉未接枝的聚硅氧烷，得到聚硅氧烷分子刷超润滑涂层。

Claims (9)

1.一种聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、将单体与固化剂按一定比例混合得到聚合物体系，向聚合物体系中加入有机溶剂A后喷涂在所需要的基材表面，在20~150℃预固化5 min~10h；
步骤二、在步骤一得到的基材表面喷涂一层含有多活性位点分子的溶液，在50~200℃固化10 min~10h，多活性位点分子为与固化剂的有效基团相同或与聚合物体系中单体或固化剂所含基团反应后形成共价键或相互作用结合的分子，单个多活性位点分子的有效基团数应大于等于2；
步骤三、在步骤二得到的基材表面喷涂一层分子刷溶液，在20~200℃固化1.5~48 h，所述分子刷为活性基团封端的聚硅氧烷，聚硅氧烷封端的活性基团应与多活性位点分子的有效基团发生反应；
步骤四、用有机溶剂B清洗掉未接枝的聚硅氧烷，得到聚硅氧烷分子刷涂层。
2.根据权利要求1所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述单体、固化剂、有机溶剂A的体积比为1：0.1~1：1~10。
3.根据权利要求1所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述聚合物体系为环氧树脂、聚氨酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯醚、聚砜、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂固化交联体系中的一种。
4.根据权利要求3所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述环氧树脂固化交联体系中，环氧树脂单体为双酚A二缩水甘油醚，固化剂为多元胺、酸酐中的一种，所述多元胺为乙二胺、二亚乙基三胺、聚醚胺中的一种或多种，所述酸酐为邻苯二甲酸酐、马来酸酐中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述有机溶剂A为乙酸乙酯、异丙醇中的一种，有机溶剂B为异丙醇、甲苯、二甲苯中的一种。
6.根据权利要求1所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述多活性位点分子为多元胺、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯三聚体中的一种分子，所述多元胺为间苯二甲胺、聚醚胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺、树枝状聚酰胺胺、十二胺、正辛胺、十六胺中的一种。
7.根据权利要求6所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述多活性位点分子溶液的浓度为1~5 mol/L，溶剂为乙醇、异丙醇、甲苯、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
8.根据权利要求1所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述分子刷溶液的浓度为0.1~5 mol/L，所述活性基团封端的聚硅氧烷为环氧基、胺基、巯基、乙烯基、羟基单封端的聚硅氧烷或羟基双封端的聚硅氧烷中的一种。
9.根据权利要求1所述的聚合物基分子刷超润滑涂层的制备方法，其特征在于所述喷涂压强为0.01~5MPa。
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