乙烯基含氟硅油改性有机硅防粘涂层的制备与性能研究

窦艳丽，黄加明，李金良，曹博君，管东波*

(1.吉林大学材料科学与工程学院，教育部汽车材料重点实验室，吉林 长春 130025；2.苏州华旃航天电器有限公司，江苏 苏州 215000)

1 引 言

涂料是一种重要的材料，广泛应用于建筑、海洋以及工业等领域。防粘涂料是一种特殊的涂料，由其制成的涂层具有较低的表面能和较好的脱模性。有机硅树脂由于具有表面能低、弹性模量小且价格低廉的特点，已成为商业化防粘涂层的主要原材料，但有机硅树脂存在机械性能较差，使用过程容易损坏等缺点[1,2]。氟化聚合物因其优异的环境稳定性、防水防油性、热稳定性和耐化学性以及低表面能而广泛应用于疏水涂层和医疗器械，但存在溶解性差、附着力低、价格昂贵等缺点[3-5]。因此，近年来，研究人员对兼具两者优点的氟硅协同改性树脂综合性能进行了广泛的研究。Sun[6]等通过氟硅氧烷改性丙烯酸树脂，增大了树脂材料表面的接触角。陈普奇[7]等将纳米SiO2添加于通过氟硅改性的丙烯酸树脂溶液中得到一种涂层，这种涂层具有超疏水性能。

本文以乙烯基硅油、含氢硅油、甲基乙烯基MQ硅树脂、纳米SiO2粉末为原料，通过改变乙烯基氟硅油的含量，在一定条件下得到防粘涂层。探索不同比例乙烯基氟硅油对涂层性能的影响，得出最佳的乙烯基氟硅油的用量。

2 试验部分

2.1 材料与仪器

(1)材料

含氢硅油(分析纯)，乙烯基硅油(分析纯)，铂催化剂，东莞市鸿风有机硅有限公司；甲基乙烯基MQ硅树脂(工业纯)，山东大易化工有限公司；纳米SiO2粉末，阿拉丁试剂有限公司；乙烯基氟硅油，上海硅山高分子材料有限公司；均为市售。

(2)仪器

傅里叶变换红外光谱仪，型号：TENSOR-27，厂家：德国BRUKER公司；接触角测定仪，型号：DSA10-MK2，厂家：德国KRUSS科学仪器上海有限公司；原子力显微镜，型号：FM-Nanoview1000AFM，厂家：苏州飞时曼精密仪器有限公司。

2.2 含氟有机硅防粘涂层的制备

称取3.5g乙烯基硅油、0.175g含氢硅油、0.04g铂催化剂、1.5g甲基乙烯基MQ硅树脂、0.0735g纳米SiO2粉末，占乙烯基硅油和含氢硅油质量0wt.%、1wt.%、3wt.%、5wt.%、7wt.%、10wt.%的乙烯基含氟硅油，分别加入烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀，然后将涂料均匀涂敷于经过预处理的铝片上，放入80℃烘箱中固化一段时间，得到防粘涂层。

2.3 性能的测试与表征

涂层红外光谱测试：采用TENSOR-27型红外光谱仪对涂层材料进行测试。

涂层形貌测试：采用FM-Nanoview1000型AFM对涂层材料进行表面形貌测试。

涂层接触角测试：采用DSA10-MK2型接触角测定仪对涂层材料进行静态接触角测试。

涂层防粘性能测试：采用聚氨酯泡沫胶带剥离力测试及表面能来表征涂层的防粘性能。

表面能的计算：将测得的乙二醇、去离子水的接触角数值，代入下式得到防粘涂层的表面能。

(1)

(2)

3 结果与讨论

3.1 含氟有机硅防粘涂层的红外分析

含氟有机硅防粘涂层的红外光谱图如图1所示。由图可见，2960cm-1处的强吸收峰为-CH3中C-H的伸缩振动吸收峰，介于1000～1100cm-1范围内的吸收峰为Si-O-Si的伸缩振动峰，而1209cm-1处的吸收峰为C-F键的伸缩振动峰，表明C-F键已经引入到涂层材料中。同时，在1640cm-1处未出现吸收峰，表明碳碳双键已经反应完全。

图1 含氟有机硅防粘涂层的红外光谱图

3.2 乙烯基氟硅油含量对涂层形貌的影响

图2为涂层的表面形貌图。由图可见，随着乙烯基氟硅油添加量的增大，涂层表面粗糙程度逐渐减小，这可能是由于乙烯基氟硅油的加入有利于纳米SiO2粉末的分散。当乙烯基氟硅油的添加量达到7wt.%时，涂层的表面粗糙程度增大，这可能是由于当纳米SiO2粉末的含量达到一定程度时，粉末的团聚效应占优。

(a)含有0wt.%乙烯基氟硅油的涂层形貌图 (b)含有1wt.%乙烯基氟硅油的涂层形貌图

3.3 乙烯基氟硅油含量对涂层静态接触角的影响

图3为乙烯基氟硅油的含量对涂层接触角的影响。由图可见，去离子水和乙二醇与涂层表面的接触角随着乙烯基氟硅油含量的增加而不断增大，说明氟元素的引入会增强涂层表面的疏水效果。涂层对去离子水的接触角都大于90°，说明涂层表面具有良好的疏水性。而乙二醇接触角较小，这可能是因为乙二醇的色散力使其在非极性涂层材料表面呈现浸润分散的效果。

(a)去离子水与涂层表面接触角 (b)乙二醇与涂层表面接触角

3.4 乙烯基氟硅油含量对涂层防粘性能的影响

图4为乙烯基氟硅油含量对涂层表面能和聚氨酯泡沫剥离力的影响图。由图可见，随着乙烯基氟硅油添加量的不断增加，含氟有机硅防粘涂层的表面能和剥离力均呈现降低并趋于稳定的趋势。当乙烯基氟硅油含量为10wt.%时，涂层的表面能为18.77mJ/m2。这是由于乙烯基氟硅油中C-F键能够将涂层中的碳链骨架包裹起来，起到屏蔽作用，从而使含氟有机硅防粘涂层具有较低的表面能。当乙烯基氟硅油含量为7wt.%时，聚氨酯泡沫胶带的剥离力最小为9.5g/25mm，此时涂层的防粘性能较好，表面能也较低。

(a)对涂层表面能的影响 (b)对聚氨酯泡沫剥离力的影响

4 结 论

(1)当乙烯基氟硅油含量为7wt.%时，涂层表面粗糙度较大。

(2)乙烯基氟硅油的加入使得去离子水和乙二醇的接触角不断增大，当乙烯基氟硅油含量为10wt.%时，去离子水和乙二醇的接触角均达到最大值，表明氟元素的引入提高了涂层的疏水性。

(3)随着乙烯基氟硅油含量的不断增加，涂层的表面能和聚氨酯泡沫剥离力逐渐降低。

综上所述，当乙烯基氟硅油含量为7wt.%时，乙烯基氟硅油改性有机硅防粘涂层的综合性能较好。