PTFE-PPS 复合超疏水涂层的制备与表征

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PTFE-PPS 复合超疏水涂层的制备与表征
王 浩， 王昌松， 陈 颖， 冯 新， 陆小华
(南京工业大学化学化工学院，江苏 南京 210009)
摘要：通过喷涂工艺在铝基片表面制备出聚四氟乙烯(PTFE)−聚苯硫醚(PPS)复合超疏水涂层，该复合涂层具有与荷
叶表面类似的二次结构，与水的静态接触角为155o，滚动角为7o. 与纯PTFE 超疏水涂层相比，PTFE 涂层中引入PPS
后，涂层的粘附力从5 级提高到1 级，铅笔硬度从4B 提高到4H，柔韧性从(10±0.1) mm 提高到(1±0.1) mm，可以更
好地满足工业应用要求.
关键词：聚四氟乙烯；聚苯硫醚；超疏水；复合涂层
中图分类号：TB383; O647 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2007)03−0624−04
1 前 言
超疏水涂层(与水的接触角大于150o，滚动角小于
10o)具有自清洁、抗污染等性能，有着巨大的应用前景.
如用在轮船的外壳上，可以防止海水腐蚀，减少水对船
体的阻力；用于石油管道的运输过程中，可以防止石油
对管道壁的粘附，从而减少运输过程中的能耗等[1−3].
聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)的表面
能低，具有良好的疏水性. 通过离子镀技术[4]、等离子
技术[5]、超细PTFE 粉末喷涂[6]等方法均可以制备PTFE
超疏水涂层. 但是这些方法工艺复杂，制备成本较高[7].
本课题组以PTFE 乳液和无机纤维为原料，通过喷涂工
艺已成功制备出大面积、低成本的PTFE 超疏水涂层[8].
但是无机纤维在PTFE 乳液中易沉降，进而造成喷涂不
均，并且这种超疏水涂层与金属基体的粘附力仍较差，
难以满足实际应用要求.
聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)是一种综合
性能优异的耐高温树脂粘结剂[9]，PPS 中S 原子的孤对
电子可与金属离子发生配位，生成一定数量的多核大分
子配合物，使PPS 涂层与金属基体间有着优异的粘附力
[10]. 因此，将PPS 引入到PTFE 涂层中可以增加涂层与
金属的粘附力[11]. 文献报道的PPS−PTFE 复合涂层一般
作为防腐、不粘或耐磨涂层使用[11,12]，尚未见该复合涂
层具有超疏水性的报道.
本研究拟在PTFE 涂层与铝基片表面间引入PPS 底
层制备复合超疏水涂层. 用SEM 和EDX.对复合涂层的
形貌和组成进行表征，按照国家标准对复合涂层的常规
性能进行测试.
2 实 验
2.1 原料和仪器
PTFE 乳液[固含量60%(ω)，型号JF-4DCW]由浙江
巨化股份有限公司提供，PPS 粉末(500 目, 25 μm)由四
川德阳科技股份有限公司提供，分散剂为0.5%(ω)非离
子型表面活性剂Fritonx-100 的水溶液，Fritonx-100 由
美国杜邦公司提供，铝片(纯度≥99.5%)由上海嘉云铝材
有限责任公司提供.
F75 型喷枪，台湾得力气动工具有限公司；高温电
热鼓风干燥箱，南京实验仪器厂；.JC2000A 静滴接触角
/界面张力测量仪，上海中晨数字设备有限公司；
JSM5600LV 型扫描电子显微镜，日本电子株式会社.
2.2 涂层制备
用800 目(18 μm)金相砂纸打磨除去铝片表面氧化
层，再经过酸洗、碱洗、乙醇洗、水洗，烘干备用.
底层涂层的制备：将20%(ω)的PPS 粉末均匀地分
散在80%(ω)分散剂中制成悬浮液；用浸渍法使PPS 颗
粒均匀分布在铝片表面，80℃下烘干10 min；将涂覆
PPS 的铝片在320∼380℃下塑化1 h 后，随炉冷却.
面层涂层的制备：用喷枪将PTFE 乳液均匀地喷涂
在底层表面(喷涂过程中喷枪压力为0.2∼0.3 MPa，枪口
与工件距离25 cm，喷涂角度45o)，80℃下烘干10 min.
重复上述操作数次. 将喷涂后的复合涂层在(370±5)℃
下塑化8 h 后得到粗糙的复合涂层.
2.3 样品表征
用扫描电子显微镜观察复合涂层的表面形貌和断
面，并对涂层断面进行能谱分析；用JC2000A 静滴接触
第3 期 王浩等：PTFE−PPS 复合超疏水涂层的制备与表征 625
角/界面张力测量仪测量水滴在涂层表面不同区域的静
态接触角，取平均值；涂层常规性能按国标测试(粘附
力按照GB/T9286-88 标准测试， 涂层硬度按照
GB6739-86 标准测试，涂层柔韧性按照GB/T1731-93 标
准测试).
3 结果与讨论
3.1 复合涂层的底层结构
用扫描电子显微镜观察涂层底层(PPS 层)的结构，
图 1 涂层底层的SEM 图片及水滴在底层的静态接触角
Fig.1 SEM image of PPS coating and the contact angle of water
on the surface
见图1，可见涂层底层较平整，粗糙结构不明显，这是
由于PPS 在高温烧结时熔融，具有很好的流动性，从而
均匀地分布在基体表面[9]. 而水滴在PPS 涂层上的静态
接触角为82o，达不到超疏水的要求.
3.2 复合涂层的表面结构
用扫描电子显微镜观察复合涂层的表面结构，并与
荷叶表面的微结构比较(实验所选荷叶样品为新鲜荷
叶，喷金后观察)，结果见图2. 图2(a)表明复合涂层表
面存在一系列随机分布的乳突结构，这些乳突直径为
0.1∼100 μm，是一种微米−亚微米结构. 对其中一个乳突
[图2(a)中方框]进一步观察发现，这些乳突表面还存在
着亚微米的二次结构，见图2(b).
自然界中的荷叶表面具有超疏水性. 研究发现，荷
叶表面由许多随机分布的乳突构成，乳突的平均直径为
1∼10 μm，见图2(c). 而单个乳突(方框内)上又存在着平
均直径为120∼130 nm 的纳米二次结构，见图2(d).
通过对比图2(a)和图2(c)，图2(b)和图2(d)发现，
制备的复合涂层与荷叶具有极为相似的表面结构，这种
微米结构与纳米结构相结合的二次结构正是引起表面
超疏水的根本原因[3,7].
复合涂层表面上水滴的静态接触角[见图2(a)]平均
值为155o，滚动角为7o，说明制备的复合涂层具备了超
疏水性.
(a) PTFE−PPS coating surface and contact angle of water on the surface (b) PTFE−PPS coating surface
(c) Lotus leaf (d) Lotus leaf
图 2 PTFE−PPS 涂层、荷叶表面SEM 图片及水在涂层表面的静态接触角
Fig.2 SEM images of PTFE−PPS coating surface and lotus leaf, and contact angle of water on the PTFE−PPS surface
626 过程 工 程 学 报 第 7 卷
图 3 复合涂层断面SEM 图片及EDX 能谱图
Fig.3 SEM image and EDX analysis of cross section of PTFE−PPS coating
3.3 复合涂层断面能谱分析
对复合涂层的断面进行EDX 能谱分析，见图3. 图
3(a)表明复合涂层的断面厚度约为80 μm. 选取接近铝
片处的涂层为1#区域，涂层表面处为2#区域. 分别对两
域进行EDX 面扫描能谱分析，表明1#区域内的硫元素
含量较高，同时也含有一定的氟元素，见图3(b)；2#区
域内含有大量的氟元素，无硫元素，见图3(c). 这说明
在铝片基体表面(复合涂层底层)涂层的主要成分是
PPS，而涂层表面成分为PTFE. 在图3(a)中复合涂层并
无明显的分层现象，说明PPS 与PTFE 粒子很好地粘结
在一起.
3.4 Cassie 方程分析
粗糙表面的润湿性可用Cassie 方程[13]来解释.
Cassie 方程为
cosθ =fcosθ s −(1−f), (1)
其中θ 为液体在粗糙表面的静态接触角， θ
s 为液体在光
滑表面的静态接触角，即本征接触角，f 为单位面积被
润湿的固体表面积分率，1−f 为单位面积上的空气分率.
图2(a)和图3 表明制得的复合涂层具有微米与亚微
米结构相结合的粗糙表面，且涂层表面物质为PTFE. 水
在该粗糙表面的静态接触角θ 为155o，而光滑PTFE 表
面的本征接触角θ
s 为108o [14].
根据方程(1)计算得到水在该复合涂层表面的空气
分率1−f 达到0.86，说明通过本工艺制得的粗糙表面具
有较大的空气分率，从而使涂层实现了超疏水性.
3.5 复合涂层常规性能表征
超疏水涂层在实际应用中还需要具有良好的力学
性能，如与基体的粘附力、硬度和弯曲强度等，这样才
能保持涂层的超疏水性，满足工业应用的要求. 按照国
标测试要求，分别对铝基片表面的PTFE 涂层、
PTFE−PPS 复合涂层和文献报道的PTFE−PPS 涂层的常
规性能进行对比测试，结果见表1.
表1 复合涂层常规性能测试
Table 1 Main properties of composite coatings
Test item This work
PTFE PTFE−PPS
Ref. Test method
Conglutination power 5∼6 1 1[11] GB/T9286-88
Rigidity/pencil rigidity 4B 4H 2H∼4H[12] GB6739-86
Flexility (mm) 10±0.1 1±0.1 1[11] GB/T1731-93
Contact angle (o) 155 155 130[12] −
表 1 表明，在PTFE 超疏水涂层和铝基片表面引入
PPS 底层后，复合涂层的粘附力从5 级提高到1 级，硬
度从4B 提高到4H，柔韧性从(10±0.1) mm提高到(1±0.1)
mm，水在表面的静态接触角仍为155o.
文献的PTFE−PPS 防腐蚀、不粘复合涂层的粘附力
为1 级，硬度为2H∼4H，柔韧性为1 mm，各项常规指
标均与本工作制得的复合超疏水涂层相当，但是水在其
表面的静态接触角只有130o，未实现超疏水性.
4 结 论
在铝基片表面制备出一种PTFE−PPS 超疏水复合
涂层，该复合涂层具有与荷叶表面类似的二次结构，与
水的静态接触角为155o，滚动角为7o. 同时，复合涂层
具有很好的力学性能，与铝基片的粘附力达到1 级，硬
度达到4H，柔韧性达到(1±0.1) mm.

jhy-4013

我拿到这样的样品了,工艺太过繁冗,不好应用

yhzcyhzc

感觉涂层超疏水性重点在于微米−亚微米结构，低表面能物质是锦上添花

fly830612

如果能够做好的话，应该是非常好的应用！

non-stick

单说PTFE-PPS涂料做好的话已经很难了,尽管我们公司做的还算不错,但是还是出现这样那样的问题.

powerboy

工艺太多复杂

zzwjsj

用在小件上还是可以，不过用在大件物品上还是难以实施和推广

天际奇虾

我也是做超疏水涂层的，一般制备的超疏水涂层在力学性能和耐擦拭方面多少有点问题，不知道这个样品在经过轻微的擦拭后是否能够保持超疏水性，如果可以的话那真的做的不错，至少在小规模的表面可以实施施工

天际奇虾

jhy-4013 发表于 2010-1-24 19:06
我拿到这样的样品了,工艺太过繁冗,不好应用

可以拿到样品？请问你如何取得的样品，我也想看看实际性能

天际奇虾

non-stick 发表于 2010-9-1 19:20
单说PTFE-PPS涂料做好的话已经很难了,尽管我们公司做的还算不错,但是还是出现这样那样的问题.

你们有这样的超疏水涂料么？可否提供样品看下

富利达不粘涂料

这样的技术我司很感兴趣，应该可以推广，中山市富利达涂料有限公司是一家专业研发生产各系列不粘涂料，诚邀高级技术人员加萌，电话：13928258520

shanhj417

我对这篇文章的实用性还是有点看法。光是工艺就有点让人受不了。先喷的是PPS固化后喷PTFE，然后再烧结，这样的操作要反复几次，文章中也没有说明具体是几次，这个对于施工来说，我个人觉得是大忌，没有一点优势了。如果是打算应用到工业件的话，比如石油管道，那是难上加难。同时，文章里做的表征，很泛泛，和实际应用要求的测试还有距离，比如耐刮擦性能如何？热硬度如何？等等。
个人意见，欢迎讨论。

lg64

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