通过表面多孔聚苯乙烯薄膜模板辅助的负模成型方法制备含有球形微粒阵列的疏水性环氧树脂涂层

《Progress in Organic Coatings》:Preparation of hydrophobic epoxy resin coatings containing spherical microparticle arrays via a surface porous polystyrene film template-assisted negative moulding

【字体: 时间:2025年10月24日 来源:Progress in Organic Coatings 7.3

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  表面多孔聚苯乙烯薄膜模板辅助负模铸造法制备环氧树脂球形微颗粒阵列涂层,优化 ternary 混合物干法成型工艺,比较涂层结构与水接触角,为低成本复杂结构超疏水表面制备提供新途径。

  
赵静文|朱鹏|张华鹏
浙江科技学院纺织科学与工程学院(国际丝绸研究所),中国浙江省杭州市,310018

摘要

目前,可以通过直接负模成型技术获得具有简单聚合物阵列结构的疏水表面,例如半球形、柱状、梯形台阶或圆锥形(顶部小底部大)。然而,像球形这样顶部大底部小的复杂结构却难以通过一次负模成型实现。本文提出了一种新的制备疏水环氧树脂涂层的方法,该方法利用了多孔聚苯乙烯(PS,可溶于溶剂)薄膜模板辅助负模成型技术。首先,将深入优化从三元PS/聚乙二醇(PEG)-甲苯混合物通过干法铸造制备多孔聚苯乙烯薄膜的过程,包括溶解与分散方法、湿度、聚合物总浓度、PEG分子量以及PS/PEG的质量比等因素。其次,将对比研究所得环氧树脂阵列涂层与多孔聚苯乙烯薄膜的结构和接触角。这项工作将为制备含有球形微粒阵列的环氧树脂涂层提供一种简单、高效且成本低廉的方法。

引言

润湿性是固体界面的基本性质,对人们的日常生活、工业和农业有着重要影响[1,2]。近年来,由于其独特的物理化学特性,超疏水表面引起了广泛的研究兴趣,显示出在自清洁[3],[4],[5]、防污[6,7]、防冰[8,9]、防腐[10],[11],[12]、防雾以及水/油分离[13],[14],[15]等领域的广泛应用潜力。随着智能仿生界面的快速发展,已经开发出了多种制备疏水表面的创新技术。常用的方法包括蚀刻技术(化学蚀刻[16]、激光蚀刻[17]、等离子体蚀刻[18]和光刻[19])、沉积技术(化学气相沉积[20]和物理气相沉积[21])、模板方法[22]、相分离方法[23]以及电纺技术[24]。
在疏水聚合物表面领域,模板方法因其操作简便、成本低廉且可规模化生产而成为工业界的首选方案[25]。该过程可分为三个阶段:模板制备、成型和脱模。模板可以是天然材料(如荷叶)或合成结构,作为所需表面形态的蓝图。然后,通常由聚合物或金属制成的基底被制成以模仿模板的表面特性。最后,通过化学溶解或物理剥离实现脱模,从而获得目标表面[23],[26],[27],[28]。图案可以直接从模板转移,或者先制备一个负模板,将图案打印到基底上再转移到目标表面[29,30]。
目前,通过直接负模成型可以制备出简单的阵列结构,如半球形、柱状、梯形台阶或圆锥形(顶部小底部大)[31],[32],[33]。然而,像球形、T形等顶部大底部小的复杂结构则难以通过一次负模成型实现[34],[35],[36]。任凯等人[37]选用全氟聚合物作为基材,开发了一种3D高温软压印方法,将其与基底热熔结合,从而在基底上形成T形阵列。这种方法需要使用在极高温度(高达350°C)下仍具有可配置弹性和形状记忆功能的硅胶热模具。实际上,随着3D微打印技术的发展,现在可以直接打印出T形甚至更复杂的结构[38],但这需要先进的设备支持。此外,邓晓等人[39]提出了一种超疏水表面组装策略,该策略采用具有柔软球形顶部的刚性微柱阵列。刚性微柱阵列是通过光刻技术从负性光刻胶制备的,随后使用含固化剂的聚二甲基硅氧烷通过改进的浸涂技术在微柱上形成柔软的球形顶部。实际上,这两种结构都不是通过模板方法获得的。当然,通过在表面上聚合不规则聚合物微/纳米颗粒也可以获得堆叠层,但由于尺寸差异较大且分布不均匀,它们不能被视为真正的阵列[40,41]。据我们所知,目前仅有少数关于使用模板方法直接制备含有球形微粒阵列的聚合物涂层的报道。在安部浩的研究[42]中,通过呼吸图技术获得的蜂窝结构简单地通过模压成型制备了球形微透镜阵列。
在本研究中,我们计划使用可溶于溶剂的多孔聚合物薄膜作为模板,来制备含有球形微粒阵列的环氧树脂涂层,而不是传统的半球形微粒阵列。实际上,呼吸图技术常用于制备具有细小孔结构的多孔聚合物薄膜,但其孔结构并非完全球形。从三元聚合物溶液通过干法铸造也是制备多孔聚合物薄膜的一种方法,该方法会使分离的聚合物域在内部生成并逐渐向液层表面移动,最终停留在表面形成孔洞[43,44]。据推测,这些孔洞更接近完美的球形[45,46]。因此,本文提出了一种新的制备疏水环氧树脂阵列涂层的方法,利用了多孔聚苯乙烯薄膜模板辅助负模成型技术。首先,将深入优化从三元PS/PEG-甲苯混合物通过干法铸造制备多孔聚苯乙烯薄膜的过程。其次,将研究所得环氧树脂阵列涂层的结构和接触角。这项工作将实现含有球形微粒阵列的环氧树脂涂层的简单、高效且低成本制备,为复杂结构聚合物阵列的逆向建模制备提供新的方法。

材料

PS(通用I型,用于一般注塑成型)购自Aladdin生化科技有限公司(中国上海)。甲苯(AR,≥99.0%)由杭州高精精细化工有限公司(中国杭州)提供。四氢呋喃(THF,AR,≥99.0%)和不同分子量的PEG(AR,≥99.0%)购自中国医药化学试剂有限公司(中国上海)。需要指出的是,这里选择的聚合物均为非晶态聚合物。环氧树脂(EPOLAM)...

PS/PEG200-甲苯分散体的流变行为

图2a显示了不同总聚合物浓度(5%至15%)的PS/PEG200-甲苯分散体的稳态剪切粘度。可以看出,粘度随总聚合物浓度的增加而增加。此外,所有PS/PEG200-甲苯分散体在低剪切速率(< 10^1/s)下表现出剪切稀化行为,在剪切速率超过10^1/s时出现平台期。随着剪切速率的提高,PEG200-甲苯域会发生变形,PS在甲苯中的螺旋结构会膨胀...

结论

本研究系统优化了从三元PS/PEG-甲苯混合物通过干法铸造制备多孔聚苯乙烯薄膜的过程。随后,通过多孔聚苯乙烯薄膜模板辅助负模成型成功制备了含有球形微粒阵列的环氧树脂涂层,并对其结构和接触角进行了对比研究。主要结论如下:
  • 1.
  • 作者贡献声明

    赵静文:撰写——原始稿件、可视化、验证、实验设计。朱鹏:撰写——审稿与编辑、资源获取、方法论制定。张华鹏:监督、项目管理。

    利益冲突声明

    作者声明没有利益冲突。

    致谢

    本研究得到了浙江科技大学基础研究基金(编号:25202149-Y、K2025-07)以及复旦大学分子工程聚合物国家重点实验室浙江科技大学嵊州创新研究院基金会(编号:SYY2025B000001)的支持。同时感谢中策橡胶集团有限公司的财务支持(编号:22200206-J)。
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