加成型硅胶基防粘涂层性能研究

2020-08-18管东波边塞英男翟晓杰朱永福李金良

工程与试验 2020年2期

管东波，边塞英男，翟晓杰，朱永福，李金良

(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)

1 引言

防粘性是一种物体难以在另一种物体表面附着的一种特性，具有这种特性的表面实际应用范围很广，例如，钻探过程中钻杆在遇到较软的岩层时，钻杆表面会发生粘接，导致钻探效率下降[1]；医学手术过程中，一些软组织容易粘连到电刀或电极表面，导致手术难度增大和医疗事故的发生，所以在微创手术中，电刀或电极表面需要进行防粘处理[2，3]；X射线天文望远镜镜片和模具之间需要用到防粘涂层，从而可以使镜片顺利地与模具脱离[4]；纳米光刻印刷技术中需要在基板上涂覆防粘涂层，起到防粘作用[5，6]。所以，获得具有防粘性能的物体表面具有十分重要的现实意义。

POSS是一种笼型聚倍半硅氧烷，通式为(RSiO3/2)n，式中的R为立方体顶角上的硅原子所连接的基团。POSS材料的主要性质取决于其分子结构中的R基，R基可为反应性基团[7，8]或惰性基团[9]。为了降低涂层的表面能，本文选用POSS中的R基是-CH2-CH2-CF3，并以加成型硅胶为主要成膜物质，添加纳米SiO2降低涂层的表面能，研究涂层的表面性能。研究发现，涂层具有较好的防粘效果。

2 涂层的制备及试验

2.1 涂料的制备

将双组分加成型硅胶和催化剂(A/B/C，A为聚甲基乙烯基硅氧烷，B为氢基聚甲基硅氧烷，C为铂催化剂)按照一定的质量比及顺序依次添加，然后加入样品总质量5%的纳米SiO2，并依次添加相当于A、B总质量的0%、1%、2%、3%、4%、5%的POSS粉末，搅拌3min，使之均匀混合，得到防粘涂料。

2.2 涂层的制备

将所得的涂料均匀地涂覆于铝金属片上，然后室温固化4h，得到防粘涂层。

3 试验结果与分析

3.1 红外光谱分析

图1是样品的红外光谱分析图，由图可见，2163cm-1的-Si-H振动峰减弱，1597cm-1的-C=C-振动峰基本消失，说明涂层的固化反应基本完成。

图1 涂层表面红外光谱图

3.2 接触角测量

图2为涂层表面的接触角测试结果，从中可以看出，当POSS质量含量为3%时，接触角达到92.9°；随着POSS含量的增加，接触角呈逐渐下降的趋势。这可能是由于随着POSS含量的增加，粉体在涂层中的分布呈现不均匀的状态。

图2 涂层表面接触角趋势图

3.3 表面形貌测量

图3是涂层的原子力显微镜形貌图，从中可以看出，随着POSS含量的增加，涂层表面的粗糙度值呈现先增大后减小的趋势。当POSS质量含量为3%时，表面的粗糙度值达到25.2nm；当POSS质量含量超过3%时，表面粗糙度值开始下降，这与接触角的变化趋势相一致。

(1)POSS质量含量=1%(Sa=12.6nm)

(2)POSS质量含量=2%(Sa=14.2nm)

(3)POSS质量含量=3%(Sa=25.2nm)

(4)POSS质量含量=4%(Sa=18.0nm)

(5)POSS质量含量=5%(Sa=15.5nm)图3 涂层表面形貌图

3.4 涂层表面防粘力测试

为研究涂层材料表面的防粘力，本试验使用长度为3cm的聚氨酯胶带粘于样品表面，并用1kg重物压于聚氨酯胶带上面，保压3h、6h、9h、12h后，分别用拉力计拉聚氨酯胶带测量防粘力，测试结果如图4所示。

图4 POSS含量及重物施压时间对涂层表面防粘力的影响

从图中可以看出，随着体系内POSS含量的增加，材料表面防粘力呈现先下降后上升的趋势，即：当POSS质量含量从0%到3%时，涂层表面的防粘力逐渐下降，到达3%时最小，然后上升。但随着胶带表面施加重物时间的增加，防粘力均呈现上升的趋势，这说明表面的有机硅存在界面迁移的现象，随着这种迁移现象时间的延长，表面的防粘效果变差，所以要延长加成型硅胶基防粘涂层的使用寿命，就要尽量控制有机硅向粘接物体表面的迁移速率。