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無氟類液體涂層的制備、表征及其寬表面張力液體低黏附性能
來源：包裝工程（技術欄目） 瀏覽 63 次 發布時間:2026-06-26
摘要： 目的 旨在突破現有防污透明涂層在透明性不足、力學穩定性差及依賴含氟組分等方面的局限，提出一種無氟環氧樹脂基類液體涂層制備策略。通過構建兼具高透明性、優異防污性能與環境友好性的涂層體系，為食品包裝、餐廚器具及光學元件等領域提供可實施的新型表面保護解決方案。方法 本文采用噴涂結合熱固化的方法，在環氧樹脂基體中引入單環氧基封端聚二甲基硅氧烷（PDMS），構筑無氟透明類液體涂層。系統考察PDMS含量對涂層表面結構、潤濕性及防污性能的影響。結果 形貌與成分分析表明，涂層表面致密平整（Rq≈0.35 nm），PDMS鏈段均勻覆蓋并富集于界面。動態潤濕測試表明，該涂層對多種不同表面張力液體均表現出滑動角<10°的低黏附性，并在可見光區的透過率約為95%，與裸玻璃相當。結論 該策略為實現高透明、低黏附且環境友好的環氧基防污涂層提供了可行途徑。
引言
表面防污技術在現代工業和日常生活中有著廣泛的應用需求。例如，建筑物的自清潔玻璃窗希望通過特殊涂層保持長久透明而無需頻繁清潔；餐桌和廚具表面則采用防油處理以減少油漬黏附，降低清理難度。這類自清潔、防油表面的實現依賴于材料表面對水滴、油污等污染物的有效排斥。
目前，實現表面疏水/疏油通常采用仿生超疏水涂層技術，通過在表面構建微納米粗糙結構并降低界面表面能，使液滴難以附著且易于滾落。然而，傳統超疏水涂層往往存在透明性差和機械穩定性不足的問題：微觀粗糙結構會引起光散射，導致涂層透明度下降；同時這些精細結構在外力作用下容易磨損破壞，影響長期防污效果。此外，為降低表面能，不少涂層摻入了含氟化合物，但氟材料可能帶來環境和健康風險，削弱了涂層的環保性能。由此可見，在確保優異防污性能的同時兼顧透明性、耐磨性和環保性，已成為防污涂層領域亟待解決的難題。
針對上述不足，研究者探索了多種新型防污涂層策略并取得一定進展。例如，有研究通過在表面引入含氟聚合物或氟硅烷涂層來大幅降低表面能，從而實現疏水疏油效果；也有研究利用自組裝單分子層（SAM）在固體基底上構筑致密有序的疏水分子膜，以獲得光滑的低表面能界面；此外，通過在基底上接枝聚二甲基硅氧烷（PDMS）分子鏈形成"類液體"表面，也是降低液滴黏附的有效方法。這些方法在減小液滴黏附、實現防污方面發揮了作用，但各有局限：含氟涂層的環境友好性令人擔憂，自組裝單層的機械穩定性有限，純PDMS單分子層的耐磨性難以保證。
鑒于上述情況，本文提出了一種無氟、透明且耐磨的環氧樹脂基防污涂層制備方案。環氧樹脂因具有良好的力學強度和附著力，被選作涂層基體。通過引入少量帶有反應性環氧端基的PDMS預聚物，并在涂層固化過程中將其共價接枝進環氧樹脂網絡，可在涂層表面構筑出柔性可遷移的有機硅鏈層，從而賦予材料類似液體表面的低表面能特征。該涂層表面平整、可見光透過率>90%，對寬范圍表面張力液滴表現出低黏滯性。這一策略為開發透明、耐久且環保的防污涂層提供了新思路。
1 實驗
1.1 原材料
主要材料：E-44型環氧樹脂（環氧值=0.44 mol/100 g），南通星辰合成材料有限公司；單環氧基封端PDMS（Mw=5 000 g/mol），Sigma-Aldrich有限公司；乙酸乙酯，聚醚胺（Mw=230 g/mol）為99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.2 環氧樹脂基類液體涂層的制備
將環氧樹脂預聚物（E44）、聚醚胺（PEA）和乙酸乙酯按1:0.45:3的質量比混合后機械攪拌10 min，使其充分溶解。該體系以PEA作為固化劑。然后加入不同質量分數（0.2%~2%）的單環氧基封端PDMS，繼續攪拌30 min。用直徑0.3 mm噴嘴的噴槍在0.5 MPa的壓力下（噴嘴與基底垂直距離15 cm）將混合物（EP）噴在玻璃基底上。噴涂完成后，將樣品置于120 ℃烘箱中30 min，使PDMS分子與固化劑完全反應。以上制備過程所用試劑的化學結構式如圖1所示。
1.3 樣品的性能及表征
1.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）
通過掃描電子顯微鏡測試環氧樹脂涂層宏觀形貌，型號Gemini300，德國卡爾蔡司集團。
1.3.2 原子力顯微鏡（AFM）
通過表征環氧樹脂基類液體表面的微觀形貌和均方根粗糙度（Rq），型號為Dimension Icon，德國Bruker公司。
1.3.3 X射線光電子能譜測試儀（XPS）
利用X射線光電子能譜測試儀對PDMS接枝涂層的元素組成進行分析，型號K-alpha，美國Thermo Scientific公司。
1.3.4 接觸角測量儀
不同表面張力液滴的所有滑動角均使用德國LAUDA Scientific公司生產的接觸角測量儀（型號LSA100）測量。上述測試所選液滴體積為10 μL。為獲得更為準確的測量數據，最終值由同一表面上不同位置的5個值的平均值得出。
1.3.5 紫外可見光光譜
通過日本島津儀器公司生產的紫外可見光光譜儀（型號UV-3600i Plus）測試了環氧樹脂基類液體涂層的可見光透光性能。