低温和耐酸腐蚀PAA/PDMC-SiO? IPN防雾涂层的制备与性能分析

《Polymer》：Preparation and performance analysis of low-temperature and acid corrosion resistant PAA/PDMC-SiO 2 IPN anti-fog coatings

基于聚丙烯酸（PAA）的IPN结构改性研究及其在防雾涂层中的应用，通过引入纳米SiO?增强复合涂层的机械性能、透明度和耐温性（-70℃），并实现抗酸性（90.7%透光率）。采用同溶剂法优化纳米SiO?分散，提升涂层稳定性，同时具备99%抗菌率。

　　

张玉轩|杨鹏宇|沈梦媛|卢圆圆|吕昭生|黄彦芬

中国武汉科技大学化学与化工学院，湖北省煤炭转化与新型碳材料重点实验室，武汉430081

摘要

雾是一种普遍存在的自然现象，对医疗和交通领域造成了严重的影响，因此人们迫切需要开发先进的防雾涂层。本研究将互穿聚合物网络（IPN）结构引入聚丙烯酸（PAA）中，解决了PAA膨胀率高的问题。这提高了水凝胶的机械性能，从而改善了其透光性，并赋予了基于PAA的超亲水涂层防雾功能。通过将纳米SiO₂颗粒掺入该聚合物溶液中，我们制备了一种有机-无机复合防雾涂层。这种涂层具有较高的透光率（95%）。当SiO₂含量为10%时，该涂层能在低至-70°C的温度下保持良好的透光率（91.7%）和耐酸性（90.7%）。经过大米摩擦测试和循环防雾测试后，其防雾性能依然优异。此外，所制备的防雾超亲水涂层还具备抗菌性能（抑制率99%）。

引言

当环境中的水滴因湿度和温度的短暂变化而在固体表面凝结时，就会形成雾[1]，[2]，[3]。由于入射光向各个方向散射，导致视线模糊[4]。具有高透光率的防雾涂层在太阳能电池板、医用光学器件和汽车挡风玻璃等领域有广泛的应用。然而，雾的形成可能会导致设备故障或安全隐患。因此，开发能够有效防止透明材料起雾的涂层至关重要[5]，[6]。传统的防雾技术通常通过改变基底与周围环境之间的温度和湿度差来实现[7]。通常使用具有亲水基团（-OH、-NH₂、-SO₃H等）的高表面能材料来改性粗糙表面的超亲水涂层[8]，[9]。水蒸气在凝结形成水膜时，通过反射和折射减少了可见光的损失[10]，从而实现了防雾效果。在潮湿条件下，形成的水膜可以持续清除超亲水涂层表面的灰尘和油脂[11]，因为微小的凝结液滴能够快速在超亲水表面上扩散[12]，[13]。

含有超亲水聚合物涂层的聚丙烯酸中丰富的羧基使其具有优异的超亲水性能，并能有效抑制雾的形成[14]，[15]。然而，这些亲水聚合物涂层的高膨胀率导致了一系列问题，如耐温性差、透光率低和机械性能不佳，从而限制了它们的应用范围[17]。为了使聚合物防雾涂层保持稳定性和长期的防雾效果，需要开发一种坚固的交联网络结构。Meryem等人[18]使用无溶剂反应体系制备了一种PAA超亲水防雾涂层，其防雾效果非常出色。但他们没有说明该涂层在不同条件下的表现。在之前的有机-无机复合材料中，无机颗粒的聚集加剧了相分离，增强了有机相与无机相之间的界面屏障。Zhang等人[19]使用无机SiO₂、有机海藻酸钠和聚乙烯醇制备了一种有机-无机非均质防雾涂层，也表现出优异的超亲水性和防雾性能。为了防止纳米SiO₂在共掺过程中容易沉淀并聚集，我们在制备硅溶胶和有机相时使用了相同的溶剂（水）。由于相同的溶解度原理，纳米SiO₂在有机相中的分散性得到改善，从而制备出了更稳定的有机-无机纳米复合涂层。当使用水作为载体制备硅溶胶时，水中的-OH基团会与纳米SiO₂表面结合，形成许多氢键，进一步提高复合涂层的亲水性[20]。

在我们之前的研究中，我们基于不锈钢网（SSM）制备了一种具有优异超亲水性和废水处理能力的半互穿水凝胶[21]。受到上述研究的启发以及我们之前的研究结果，我们使用AA和DMC改变了物理交联网络结构（IPN）。通过逐步聚合AA和DMC，制备出了掺有SiO₂无机纳米颗粒的互穿网络结构，从而获得了这种超亲水涂层。该涂层不仅具有优异的超亲水性和防雾性能，还具有高透光率、耐低温和耐酸腐蚀的优点。这种技术不仅易于使用且价格合理，还具有很高的实际应用价值。在早期的研究中，我们使用与特定化学品共聚的丙烯酸单体制备了基于不同基底的超亲水薄膜，但这些薄膜的透光率不高，因此不具备防雾性能。在这项工作中，我们使用SiO₂纳米颗粒作为填料，有效地增加了复合涂层的粗糙度和透光率。这扩展了聚丙烯酸在防雾领域的应用范围，稳定的复合结构不仅在室温下具有高透光率，还显著提高了其耐酸腐蚀和耐低温性能。

材料

丙烯酸（AA）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）、四甲基乙烯二胺（TEMED）从Aladdin Reagent Co购买（试剂纯度为AR级）。浓盐酸和N,N-二甲基双丙烯酰胺（MBA）从National Pharmaceutical Reagent Co购买（试剂纯度为AR级）。透明玻璃板从淘宝商店购买。20纳米的硅溶胶从武汉Lvkai新材料购买。

防雾涂层的有机相制备

DMC将被配制成质量分数为3%的溶液

结构与微观形态分析

扫描电子显微镜（SEM）可用于观察涂层材料的表面微观形态[22]，电子显微镜图像显示的样品表面或截面拓扑结构可以揭示实验样品的微观结构[23]，有助于更准确地确定表面改性的存在以及不同实验方法引起的微观形态变化[24]。为了更好地研究微观表面结构和形态

结论

总之，本研究成功制备了掺有SiO₂的PAA/PDMC水凝胶涂层。SiO₂的添加显著增强了膜表面的微观粗糙度。由于高表面能和这种微观粗糙度的协同作用，该复合水凝胶在空气中表现出超亲水性，在水中则表现出超疏水性，这对于涉及液体相互作用的各种应用至关重要。

作者贡献声明

张玉轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究，数据分析，概念构思。黄彦芬：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金筹集。吕昭生：实验研究，数据分析，概念构思。沈梦媛：实验研究，数据分析，概念构思。杨鹏宇：方法设计，实验研究，数据分析，概念构思。卢圆圆：实验研究，数据分析，概念构思。

资助

本研究得到了湖北省煤炭转化与新型碳材料重点实验室（武汉科技大学）的支持（项目编号：WKDM202105）

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。