众所周知,氟碳化合物具有极低的表面张力,因此广泛用于拒水拒油整理。随着人们生活水平的提高,一方面人们对拒水拒油整理效果提出了更高的要求,另一方面人们对具有新功能的含氟整理剂也提出了需求。因此,找到能够提高拒水拒油效果的技术和开发出具有新功能的含氟整理剂显得犹为重要。在本论文中我们合成了几种含氟整理剂,采用直接或与其它表面改性技术结合的方法对棉织物、玻璃、单晶硅片进行改性,赋予它们不同的功能,并对改性后的效果进行了测试。本论文由以下几部分工作构成:1.目前,超疏水表面的制备方法已经成为了人们的研究热点。在本论文中我们将溶胶-凝胶技术与含氟整理剂相结合在织物上制备出具有超疏水和疏油性能的涂层。在正硅酸乙酯,乙醇和水三者的比例不变的实验条件下,通过改变催化剂氨水的量成功制备了一系列不同粒径的SiO2溶胶样品sol 1-5,这些样品中的颗粒粒径均在100—200nm之间。我们同时合成了含全氟烷基季铵盐硅烷偶联剂PFSC,并将溶胶样品和PFSC共同应用于织物整理。经H2O和CH2I2接触角测试和拒水拒油等级测试结果发现,只有溶胶样品sol 4的粒径大小合适,可以显著增加表面粗糙度,经其整...更多理的织物样品通过含全氟烷基季铵盐硅烷偶联剂PFSC修饰后比只经PFSC整理的棉织物样品的拒水拒油性能得到提高,H2O的接触角从133°提高到145°,接近于超疏水性能,CH2I2的接触角从125°提高到131°;拒水拒油级别分别从3级、4级提高到4级、5级。而经另外四个溶胶样品和PFSC共同整理的织物样品的拒水拒油效果没有得到提高。2.通常具有低表面自由能的含氟聚合物材料不易吸附环境中的尘埃或污物粒子。但是一旦被污染,由于它们的高疏水性使得此类材料沾污后很难用水清洗。为了弥补这个不足就需要制备出具有疏水/疏油-亲水可逆转换性能的智能表面,这样就既可以减少在空气中的沾污,又方便沾污后的清洗。在本论文中我们将含全氟烷基丙烯酸酯与丙烯酸采用乳液聚合方式合成了聚(全氟烷基丙烯酸酯-丙烯酸)(PPFAA-AA),并通过传统的轧-烘-焙过程将聚合物乳液整理到棉织物上,形成的涂层具有疏油/疏水-亲水可逆转换功能。在乳化剂量不变条件下,通过改变单体的重量比,得到PPFAA-AA聚合物样品copoly1-4,其中copoly2整理的织物具有明显的疏水-亲水转换性能,水的接触角从刚开始的127°在30min内迅速减小到33°。根据该现象,提出了疏水.亲水转换机理,通过XPS测试润湿前后织物表面PPFAA-AA涂层不同深度化学组成含量变化,验证了该机理。3.日常生活中透明基材的上雾现象和衣服上起静电现象经常困扰着人们,其中一个解决方法就是用亲水整理剂进行亲水化处理。基于这个需求在本论文中我们设计了一个亲水拒油聚合物Rf-(DMDAAC)n-Rf,亲水性可以起到防雾和抗静电效果,拒油性可以防止污染减少清洗次数,使整理效果持久。首先合成了全氟聚醚二酰基过氧化物RfCOO2,并用来引发二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)聚合,得到含有全氟烷氧基末端基团的二甲基二烯丙基氯化铵聚合物(Rf-(DMDAAC)n-Rf)。通过传统的轧-烘-焙过程将其整理到棉织物上,整理后织物具有亲水拒油性,对水的接触角为0°,对正十六烷的接触角为117.5°。4.自组装技术在表面改性中得到了广泛的应用。在本论文最后我们在玻璃和单晶硅基底上将含全氟烷基的化合物利用自组装技术接到基底表面,以期降低表面自由能,实现超薄拒水拒油膜的制备。我们采用自组装方法制备了PFOA-APTES和PFOA-TESPA自组装双层膜。通过原子力显微镜(AFM)、椭圆偏光仪(Ellipsometry)和X-射线光电子能谱(XPS)对PFOA-APTES自组装双层膜的膜性能进行了测试与表征,证明PFOA-APTES自组装双层膜制备成功。利用接触角测试对PFOA-APTES自组装双层膜的拒水拒油性能进行了研究,发现在PFOA与APTES-SAF反应12h后形成的双层膜具有较好的拒水拒油性能。有关PFOA-TESPA自组装双层膜,我们主要是对TESPA-SAF和PFOA-TESPA的制备条件进行了摸索。但从拒水拒油效果来看,PFOA-TESPA自组装双层膜的制备不是很成功。
含氟整理剂的合成及其对表面的改性
摘要5-7
Abstract7-9
第一章 绪论16-40
1.1 含氟整理剂概述16-28
1.1.1 氟原子的特性16-18
1.1.2 含氟化合物的表面特性18-19
1.1.3 拒水拒油机理19-22
1.1.4 含氟整理剂的合成22-28
1.1.4.1 含氟单体的合成22-25
1.1.4.2 含氟聚合物的合成25-28
1.1.4.2.1 含氟聚合物的共聚方法25-27
1.1.4.2.2 聚合物结晶度对其性能的影响27-28
1.2 利用含氟整理剂对表面改性的技术28-34
1.2.1 溶胶-凝胶技术(Sol-Gel)技术28-30
1.2.2 有序分子膜30-32
1.2.2.1 LB技术30-31
1.2.2.2 自组装膜31-32
1.2.3 等离子体聚合技术32
1.2.4 添加氟表面活性剂32-34
1.3 本课题的研究方向34
参考文献34-40
第二章 含全氟烷基季铵盐硅烷偶联剂─纳米SiO_2超疏水复合涂层的制备及其在棉织物上的应用40-68
2.1 超疏水性表面概述40-42
2.1.1 超疏水性表面理论发展40-41
2.1.2 超疏水性表面制备方法41-42
2.2 含全氟烷基季铵盐硅烷偶联剂─纳米SiO_2超疏水疏油复合涂层的设计思路42-44
2.2.1 溶胶-凝胶技术的选择42-43
2.2.2 含氟整理剂的设计43-44
2.3 SiO_2溶胶的制备44-46
2.3.1 溶胶-凝胶基本原理44-45
2.3.2 SiO_2溶胶的制备45-46
2.4 含全氟烷基季铵盐化合物(PFSC)的合成46-52
2.4.1 化合物1的合成46-47
2.4.2 化合物2的合成47-49
2.4.3 化合物3的合成49-50
2.4.4 化合物4的合成50-51
2.4.5 目标分子PFSC的合成51-52
2.5 整理部分52-53
2.5.1 整理工艺52
2.5.2 接触角测试52
2.5.3 拒水拒油等级测试方法52-53
2.5.4 扫描电子显微镜(SEM)测试53
2.6 结果与讨论53-59
2.6.1 SiO_2溶胶制备和表征53-56
2.6.1.1 催化剂的选择53-54
2.6.1.2 粒径测试54-56
2.6.2 SiO_2溶胶和PFSC在棉织物上的应用56-59
2.6.2.1 接触角和拒水拒油等级测试56-58
2.6.2.2 SEM测试58-59
2.7 典型实验步骤59-62
2.7.1 实验试剂及仪器59
2.7.2 SiO_2溶胶制备59
2.7.3 化合物1的制备59-60
2.7.4 化合物2的制备60
2.7.5 化合物3的制备60-61
2.7.6 化合物4的制备61-62
2.7.7 目标分子PFSC的制备62
2.8 本章小结62-63
参考文献63-68
第三章 疏油/疏水─亲水可逆转换含氟聚合物涂层的制备及其表面性能68-89
3.1 引言68-69
3.2 疏油/疏水─亲水可逆转换含氟共聚物涂层的设计思路69-70
3.3 含氟共聚物PPEAA-AA的合成70-71
3.4 整理部分71-72
3.4.1 整理工艺71
3.4.2 接触角测试71
3.4.3 XPS测试71-72
3.4.4 SEM测试72
3.5 结果与讨论72-84
3.5.1 含氟共聚物PPEAA-AA的制备工艺72-73
3.5.1.1 聚合方法和加料方式72
3.5.1.2 引发剂的选择72-73
3.5.1.3 乳化剂的选择73
3.5.2 含氟共聚物PPEAA-AA的表征73-78
3.5.2.1 傅立叶变换红外光谱(FT-IR)73-74
3.5.2.2 含氟共聚物PPEAA-AA中F元素含量分析74
3.5.2.3 含氟共聚物PPEAA-AA的热性能分析(DSC，TG曲线)74-76
3.5.2.4 含氟共聚物PPEAA-AA的SAXD分析76-78
3.5.3 含氟共聚物PPFAA-AA在棉织物上的应用78-84
3.5.3.1 水和正十六烷的接触角测试78-81
3.5.3.2 整理后棉织物表面的XPS测试81-83
3.5.3.3 整理前后棉纤维的SEM图83-84
3.6 典型实验步骤84-85
3.6.1 实验试剂及仪器84-85
3.6.2 聚(全氟烷基丙烯酸酯-丙烯酸)(PPFAA-AA)的制备85
3.7 本章小结85-86
参考文献86-89
第四章 亲水拒油含氟整理剂的合成及其应用89-103
4.1 引言89-90
4.2 亲水拒油含氟整理剂的设计思路90-91
4.3 Rf-(DMDAAC)n-Rf的合成91-94
4.3.1 全氟聚醚二酰基过氧化物(RfCOO)_2的合成91-93
4.3.2 Rf-(DMDAAC)n-Rf的合成93-94
4.3.2.1 聚合物结构93
4.3.2.2 Rf-(DMDAAC)n-Rf的合成93-94
4.4 织物整理94-95
4.4.1 整理工艺94
4.4.2 接触角测试94-95
4.5 结果与讨论95-99
4.5.1 Rf-(DMDAAC)n-Rf的制备工艺95-97
4.5.1.1 全氟聚醚二酰基过氧化物浓度的影响95-96
4.5.1.2 温度的影响96
4.5.1.3 全氟聚醚二酰基过氧化物与二甲基二烯丙基氯化铵配比影响96-97
4.5.2 Rf-(DMDAAC)n-Rf的表征97-98
4.5.3 Rf-(DMDAAC)n-Rf在棉织物上的应用98-99
4.6 典型实验步骤99-100
4.6.1 实验试剂及仪器99
4.6.2 全氟聚醚二酰基过氧化物(RfCOO)_2的制备99
4.6.3 Rf-(DMDAAC)n-Rf的制备99-100
4.7 本章小结100
参考文献100-103
第五章 自组装双层膜制备及其拒水拒油性能研究103-141
5.1 分子自组装膜概述103-107
5.1.1 有机硅烷类SAMs103-105
5.1.2 自组装单分子膜的表征方法105-107
5.1.2.1 扫描探针显微镜(SPM)测试方法105-106
5.1.2.2 电化学表征方法106
5.1.2.3 光谱学测定方法106-107
5.1.2.4 自组装膜表面的润湿性107
5.2 拒水拒油自组装双层膜的设计思路107-110
5.3 TESPA的合成110-111
5.3.1 化合物1的合成111
5.3.2 目标分子TESPA的合成111
5.4 自组装双层膜PFOA-APTES的制备及其拒水拒油性能研究111-126
5.4.1 PFOA-APTES的制备112-114
5.4.1.1 APTES-SAF的制备112-113
5.4.1.2 PFOA-APTES的制备113-114
5.4.2 测试与表征114
5.4.2.1 AFM测试114
5.4.2.2 Ellipsometry测试114
5.4.2.3 XPS测试114
5.4.2.4 接触角测试114
5.4.3 结果与讨论114-126
5.4.3.1 PFOA-APTES的表征114-122
5.4.3.1.1 PFOA-APTES的表面形貌114-116
5.4.3.1.2 膜厚测试116-117
5.4.3.1.3 PFOA-APTES的XPS分析117-122
5.4.3.2 PFOA-APTES的拒水拒油性能122-126
5.5 自组装双层膜PFOA-TESPA的制备及其拒水拒油性能研究126-134
5.5.1 PFOA-TESPA的制备126-127
5.5.2 测试与表征127
5.5.2.1 SEM测试127
5.5.2.2 AFM测试127
5.5.2.3 接触角测试127
5.5.3 结果与讨论127-134
5.5.3.1 实验条件的选择127-128
5.5.3.2 TESPA-SAF制备条件优化128-132
5.5.3.3 PFOA与TESPA-SAF反应条件优化132-133
5.5.3.4 PFOA-TESPA的制备133-134
5.6 典型实验步骤134-137
5.6.1 实验试剂及仪器134-135
5.6.2 化合物1的制备135
5.6.3 TESPA的制备135-136
5.6.4 PFOA-APTES的制备136
5.6.5 PFOA-TESPA的制备136-137
5.7 本章小结137
参考文献137-141
第六章 结论141-143
攻读学位期间发表的学术论文目录143-144
致谢144
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