高性能超疏水聚苯并噁嗪多级微纳结构构筑及相分离机理研究

Super-hydrophobic surface with high performance has become a hot and difficult problem which has attracted a lot of research at home and abroad. From the development bottleneck and elements that constitute of super-hydrophobic materials, the blend consists benzoxazine/thermoset/mesoposrous SiO2 is proposed to design under considering hydrogen bonds and inorganic particles. The method of reaction induced phase separation is introduced into the preparation of super-hydrophobic materials, which forms a phase separated resin matrix and a secondary micro-nano structured mesoporous SiO2, and finally obtained the super-hydrophobic surface with high performance. Focus on the theoretically study of thermodynamic compatibility among benzoxazine, thermoset and mesoporous SiO2. Research on the influence of molecular structure, molecular weight, the type of functional groups, composition proportion, the hydrogen bond formed during the ring opening of benzoxazine, curing agent and the content of the curing agent on curing reaction, rheological properties, mechanism of phase separation and the structure of phase structures, and summarize the rules to establish the corresponding model; Study on the preparation technology of super-hydrophobic materials; Study the interaction between the phase separated resin matrix and micro-nano structured mesoporous SiO2 on the surface and establish the relationship between phase separated matrix, micro-nano structured mesoporous SiO2 and the hydrophobic properties, mechanical properties. This program will provide a new way for high-performance super-hydrophobic surface and lay a foundation for the large-scale industrial application of super-hydrophobic materials.

超疏水材料的高性能化是国内外研究的热点和难点问题。本项目从超疏水材料的发展瓶颈、构成要素出发，在考虑氢键、第三组分无机粒子的情况下，拟设计并制备由苯并噁嗪/热固性树脂/介孔SiO2组成的复合体系，将反应诱导相分离方法引入到超疏水材料的制备过程中，得到基体树脂形成相分离结构、介孔SiO2形成二级微纳结构的多级结构，实现超疏水材料的高性能化。从理论上研究苯并噁嗪/热固性树脂/介孔SiO2之间的热力学相容性；研究分子结构、分子量、官能团种类、组成比例、氢键种类、固化剂种类和含量等对固化反应特性、流变特性、相分离机理、相分离结构的影响和相互关系，并总结规律建立对应的模型；研究超疏水材料的制备工艺；研究基体相分离结构、介孔SiO2表面微纳结构之间的相互作用，建立相分离结构、表面微纳结构与疏水性能、力学性能之间的关系。为超疏水表面的高性能化开辟出新的途径，并为超疏水材料的大规模工业化应用奠定基础。

超疏水材料凭借其独特的表面特性，在防水、防污、自清洁、流体减阻等日常生活、国防军工领域中具有广泛的应用前景，是近年来各国竞相研发的重要关键材料，但因为成本高、工艺要求高、机械性能差等问题，限制了其在工业领域中的推广应用。.针对以上超水水材料存在的问题，本项目选用苯并噁嗪、苯并噁嗪/环氧树脂、苯并噁嗪/聚氨酯树脂等体系为基体树脂，介孔SiO2为填料，通过反应诱导相分离的基本原理首先在两种热固性树脂中形成相分离结构，形成强度和韧性都得到提高的第一级微纳结构。同时，在此基础上，通过介孔SiO2在基体表面自然分散和团聚时形成的第二级微纳结构，构筑了表面强度和韧性兼顾的超疏水涂层。针对这一体系研究内容主要包括，共混体系的固化反应特点、共混体系的相形貌、超疏水表面的制备、接触角及表面机械性能。.首先调整介孔SiO2在苯并噁嗪体系中的含量，成功制备了接触角为170.7°的超疏水涂层。该涂层相比相同含量的纳米SiO2/苯并噁嗪体系，不仅保持了超疏水状态，而且耐磨擦距离提高2倍。通过BET表征证实，苯并噁嗪可以进入到SBA-15的孔洞中形成有机-无机互穿网络结构，提高了无机粒子与有机树脂之间的结合力。其次，研究了咪唑加入方式对聚合物化学结构和涂层结构的影响。不同的咪唑加入方式，使得涂层表面呈现出密度梯度变化结构，因而涂层在保持超疏水性的同时，摩擦距离进一步得到提升，表面磨损率相比前一个体系降低了一个数量级，达到8.40×10-3 mm3/N·m·min。研究了苯并噁嗪/环氧树脂/介孔SiO2共混体系，这一体系中，在保持涂层表面超疏水的同时，耐磨性能得到进一步的提升，这主要是部分环氧树脂采用的是脂肪族环氧树脂，使得其耐磨性能得到进一步的提升。为了得到耐磨性能更加优异的超疏水涂层，对苯并噁嗪/聚氨酯/介孔SiO2体系进行了更进一步的深入研究。研究结果显示，随着PU含量的增加，涂层的超疏水性能逐渐降低，但是涂层表面的耐磨性逐渐增加，表面磨损率达到3.10×10-3mm3/N·m·min。此外，还讨论了这些不同体系的耐腐蚀性能、耐盐雾性能、油水分离功能、液滴运输性能等，研究结果显示，这些体系在不同的应用环境中有着出色的表现。.这一项目的研究成果不仅提供了一种制备耐磨超疏水表面的方法和思路，更是为超疏水的实际应用铺平了道路，为超疏水涂层的进一步发挥作用提供了有力的支撑。