文摘

超疏水材料的广泛应用是主要由穷人机械阻碍了鲁棒性和复杂的制备方法。为了克服这些问题,我们试图使分层和自相似结构的一个简单的喷涂方法。通过添加nanofiller(碳纳米管)和塞尺(石墨粉和膨胀石墨),建立了层次结构。通过进一步商业沥青填料均匀掺杂,制备的自相似结构。在上述工作的基础上,做好准备样品能够承受12.00米以下4.90 kPa的砂纸磨损。此外,这种超疏水涂料导电性良好、自洁性能优异,优良的耐腐蚀性能。集成的电导率superhydrophobicity地面网格应用程序有可能开辟新的途径。

1。介绍

钢广泛应用于我们的日常生活和工业由于其相对较低的价格,优质的切削加工性能和机械强度,(1- - - - - -3]。然而,大多数钢容易被腐蚀,导致巨大的经济损失。许多方法已经开发出来,禁止腐蚀(4- - - - - -7]。特别是,超疏水材料,可以制作相结合的微/纳米结构和较低的表面能,吸引了越来越多的关注,因为水滴可以保持近球形,很容易去掉了(8- - - - - -11]。基于这一极端的排斥性,许多研究都试图利用超疏水材料保护腐蚀(12- - - - - -14]。例如,曹等人伪造的超疏水薄膜可以保护金属衬底在很长一段时间15]。张等人准备了超疏水涂层结合碳纳米管的环氧树脂,可有效保护Q235碳钢(16]。

然而,超疏水表面的致命弱点是穷人的机械耐久性。大多数超疏水表面容易被轻微刮伤受损,甚至手指接触(17,18]。为了克服这一弱点,三种不同的开发方法。首先,陆等人介绍了一个“油漆+胶”方法,尝试结合使用粘合剂的疏水粒子(19]。第二,Verho等人采用分层结构,试图利用相对强劲的微观结构来保护脆弱的纳米结构(20.]。第三,自相似结构也是一个潜在的方法让新暴露部分保持superhydrophobicity因为它们相似的结构和功能与擦伤部位(21]。

导电性也是一个重要的考虑因素,因为它在许多实际应用是至关重要的。例如,Q235钢被广泛用作地面电网变电站由于其低廉的价格和相对较低的电阻。然后,应该保证良好的导电性,当我们试图用超疏水涂层来保护地面网格(22]。同时实现superhydrophobicity和优良的导电性,散射碳基填料在聚合物基质的主要解决方案。例如,赫亚兹等人的毛发状结构超疏水碳纳米管使用模板方法,取得superhydrophobicity没有任何修改(23]。顾等人制备超疏水表面涂层聚苯乙烯在碳纳米管膜(24]。王等人建造了一个超疏水涂层通过混合的石墨烯聚二甲硅氧烷(25]。然而,上述导电/超疏水材料的弱点机械鲁棒性。

在我们以前的工作,基于混合物的超疏水/导电材料的环氧树脂和碳纳米管已经准备(26]。沥青被广泛用于我们的日常生活中是路面因其杰出的机械强度(27]。与环氧树脂相比,沥青有许多不同的特点,这导致一些特殊的应用,如人行道上。在这里,我们试图使用沥青作为地下室提高机械强度。为了获得自相似结构,导电填料均匀分散在沥青矩阵。为了进一步获得层次结构,微尺度填料石墨粉和膨胀石墨和纳米填料(多层碳纳米管)是利用。因此,分层和自相似结构与杰出的组合赋予超疏水涂层的电导率,优秀的机械鲁棒性和自洁性能优越。此外,这种超疏水涂料是通过简单的喷涂,具有潜在的大规模生产。

2。材料和方法

2.1。材料

70 # 10 #沥青,沥青、Q235钢板,膨胀石墨(EG)从当地市场购买。微碳纳米管的平均直径和长度为9.5 nm和1.5μ米从Nanocyl有限公司购买,比利时(NC7000)。1H,1H,2H,2H-per-fluorooctyltriethoxysilane (C8F13H4Si(哟2CH3)3FAS)购买从阿拉丁试剂有限公司有限公司,上海,中国。所有其他化学物质从国药控股购买化学试剂有限公司,有限公司(中国公司)和作为收到。

2.2。Q235钢板的预处理

Q235钢板的尺寸 是利用基质。在使用之前,Q235基质被刮擦的是800 #砂纸,然后在去离子水超声清洗。

2.3。制备的超疏水涂层

制造过程的示意图可以在图中找到1。首先,1.6 g 10 #沥青和0.4 g 70 #沥青混合到7.0 g四氢呋喃(四氢呋喃)通过机械搅拌4 h,分别标记为解决方案a, 0.6 g石墨粉、0.15 g热合,0.03 g如顺序和0.2 g FAS溶解成8 g四氢呋喃通过机械搅拌,这被定义为解决方案b应该注意,我们进一步改变碳管的数量,如提高导电率的目的。然后,搅拌后的解决方案是混合解决方案b . 4 h,得到混合物。在下一步中,混合物被喷洒在Q235钢的帮助下喷枪0.4 MPa的压力下。最后,涂层在室温下是治愈24 h。的厚度和涂层~ 0.45毫米。


图1
制造过程的示意图。
2.4。描述

超疏水涂层的表面微观结构进行了扫描电子显微镜(SEM、TESCAN Vega3),装备和元素成分进行评估能量色散谱(EDS)。在SEM测试之前,非盟薄膜(~ 2 - 3海里)是气急败坏的说到样品。真正的颜色共焦显微镜是用来测量表面粗糙度。水接触角(CAs)由一个自制的接触角仪进行了评估。高速相机(探测器2 f04)是用来评估滑动角(SAs)。5μL水滴在上述调整CA和SA测试。

电阻率测试的涂料喷在玻璃载片( )。直流电桥(QJ84上海正阳乐器厂,中国)是利用调查体积电阻率根据中国标准GB / T 2439 - 2001。体积电阻率( )计算如下: 在哪里 涂层的电阻, 横截面积, 涂层的长度。电导率( )体积电阻率的倒数。

CHI760E电化学工作站(上海CH仪器)是利用极化曲线进行调查。我们使用三电极系统和设置扫描速度1 mV / s。标本和铂被改编为工作电极和对电极,分别。饱和甘汞电极(SCE)采用参比电极。

2.5。耐磨测试

磨耗试验,粗糙表面的超疏水涂层是面对200 #碳化硅砂纸。然后,重量200克(4.90 kPa)是Q235衬底的顶部。在外力的帮助下,统治者的标本被拖了20厘米,这是定义为一个磨损周期。

3所示。结果与讨论

在这项研究中,层次结构是准备通过添加微量填料和纳米填料。扫描电镜观察证实层次结构的存在。许多微尺度凸起(2 - 20μ米)可以从图中发现2(一)来自专家组和石墨。我们进一步放大放大的扫描电镜观察。然后,许多热合可以发现,microbulges之间(图2(b))。我们进一步利用真实的颜色共焦显微镜评估表面形态(数据2(c)和2(d))。表面粗糙度计算~ 6.55μm,指示和超疏水的微尺度粗糙度样本。


图2
和超疏水样品的扫描电镜图像与低(a)和(b)高放大。(c) 2 d和3 d (d)真彩色共焦显微镜的图像和样本。

检测化学成分,EDS在图的面积进行测量2(b), C、O、F和Si组件可以从图被探测到3(一个)。我们将F组件FAS,低表面能起到了至关重要的作用。非盟组件来自非盟溅射前扫描电镜观察。因此,该涂层获得superhydrophobicity通过层次结构和较低的表面能。它可以发现,八个球形水滴随机分散在表面(图3 (b)),说明优秀的superhydrophobicity。我们进一步计算了CAs和SAs定量评估润湿状态,这种涂层表现出较高的CA 163°和低股价5°。因此,它是合理的推断,这种涂层表明稳定Cassie-Baxter州表面的水滴被停职(28,29日]。

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图3
(一)EDS测试点1图2(b)。(b)水滴沉积在疏水性样品的照片。

XPS测量进行进一步调查的表面化学成分和超疏水表面。图4显示了调查样本的光谱。它可以发现,如果2 p,如果2 s, C 1 s、O 1 s轨道,和F 1 s山峰从表面被检测到。图4 (b)显示曲线拟F 1 s核心级样品的光谱。占主导地位的峰值出现在689.32 eV对应于氟保税CF 在FAS链表明F是出现在相同的焊接环境的FAS [30.]。肩峰高结合能689.75 eV可能与Si-F有关 互动(31日]。这证实了氟组硅粒子的存在(32]。曲线拟合成仪器2 p核心级的光谱样本显示在图4 (c)。如果2 p核心级光谱显示主要峰值104.15 eV,对应于-Si-OH或Si-F 物种。Low-intense组件约102.64 eV可能是因为SiO峰值2的网络。图4 (d)显示了C 1 s的多元素光谱;观察到的峰值为284.50,284.78,285.60,292.00,和294.27 eV被归结为同单晶硅,碳碳,切断,CF2,CF3分别为(30.- - - - - -32]。

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图4
XPS测量石墨烯的超疏水复合。(一)调查好了超疏水表面的XPS谱。(b) F 1 s (c)如果2 p,和(d) c 1 s XPS谱的样本。

超疏水材料的普遍利用阻碍了他们可怜的鲁棒性。换句话说,微/纳米结构构建superhydrophobicity是不可或缺的是很容易被破坏。为了解决这个问题,利用沥青是广泛应用于路面的粘结剂因其良好的机械强度和结合力。同时,微和nanofillers沥青基质中掺杂保证层次结构的形成,提高机械的耐用性。砂纸磨耗试验已被广泛用于评估机械鲁棒性(33- - - - - -41]。田等人进一步指出,磨损距离和施加压力是两个关键因素来促进不同研究之间的比较(42]。

因此,砂纸磨耗试验进行研究。首先,样本面临的粗糙表面碳化硅砂纸(200 #)。这时,一个体重200克(4.90 kPa)是放在顶部的样本,如图5(一个)和电影S1。通过应用外力,20厘米的样品沿着统治者一个磨损周期。尽管一些粉末能找到在磨损过程中,保留了superhydrophobicity看滴水域的行为。中科院的定量变化和SAs在磨损过程中可以进一步发现在图5 (b)。即使60磨损周期,CA 159°和SA是6°,表明优秀的机械鲁棒性。与此同时,发现涂层的厚度减少~ 0.45 mm ~ 0.10 mm。我们将保留superhydrophobicity(图的自相似结构5 (c)),使超疏水涂层的损伤层类似于暴露部分的功能和结构。

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图5
(a)的图像砂纸磨蚀破坏的过程和结果。(b) CAs和SAs和样本作为磨损周期函数。(c) antiabrasion机制的示意图。

材料的导电率最近收到越来越多的关注。一方面,导电涂层会脱落积累电子然后提高微电子设备的可靠性。另一方面,优良的导电性等一些特殊的应用程序是必不可少的地面网格。在这个研究中,我们试图优化电性质通过改变碳管的数量和EGs。导电性和antiabrasion能力同时进行调查,结果在表中做了总结1。详细测试方法的导电性和antiabrasion能力可以在实验部分找到。导电填料的导电性增加,但antiabrasion财产同时下降。因此,如何使导电性和antiabrasion产权之间的平衡是一个重要的挑战。优化后,这种涂料可以展览42.46 S / m的电导率,从而保持superhydrophobicity 60后磨损周期。

表1
实验结果的superhydrophobicity不同的填充内容。

这里的土壤被利用为模型污染物,和载玻片作为底物。如图6(一)和电影S2,我们首先把超疏水样本的坡度角~ 15°,然后铺一层土壤样本。在下一步中,水滴运球到样品。它可以很容易找到,水滴滚了下来(数字6 (b)和6 (c))。一旦水滴联系了土壤颗粒,它将污染物阵列由于附着力极低的水。最后,一个完全干净的样本获得(图6 (d)),表明其优良的自洁性能。

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图6
自清洗过程和超疏水表面:(a)的表面污染土壤粉;(b, c)被污染的表面与水滴下降;(d)后的受污染的表面水下降的过程。

此外,这种超疏水涂层表现出优异的耐腐蚀性能(43- - - - - -45]。钢是在我们的日常生活中普遍使用由于其优良的机械强度,容易处理和成本效率。腐蚀的主要失效机理被认为是钢(尤其是对Q235钢)。在这个研究中,我们试图改善通过超疏水涂层的防腐性能。利用极化曲线评价被耐腐蚀,如图7。在这里,我们使用3.5 wt %氯化钠水溶液作为电解液。电化学测试之前,我们样品沉浸到电解液对3 h。因为腐蚀电位( 和SCE)和腐蚀电流密度( )是评估的两个至关重要的防腐性能,我们进一步推导出它们的极化曲线。光秃秃的Q235钢的腐蚀电位,与环氧树脂涂层Q235钢,和超疏水涂层计算是-0.198,-0.413,和-0.547 v,分别。此外,裸露的Q235钢的腐蚀电流密度,与环氧树脂涂层Q235钢,超疏水涂层进行了计算 , ,和 ,分别。因此,超疏水涂层可以减少腐蚀电流密度35折而裸露的样本,减少9折比环氧树脂涂层。我们认为优秀的耐腐蚀superhydrophobicity。超疏水涂层时沉浸在腐蚀性溶液,微/纳米结构涂层往往陷阱的空气,它将作为缓冲和阻碍Q235钢基体之间的电子转移和腐蚀性的电解液(46,47]。


图7
塔菲尔极化曲线的Q235钢、环氧树脂涂层和超疏水涂层。

4所示。结论

总之,我们报道一个简单的和具有成本效益的方法来制备超疏水/导电沥青。沥青的导电率可以控制通过添加导电填料。当填料均匀地分布在沥青矩阵,可以得到的自相似结构。此外,可以通过添加纳米填料构造层次结构(碳纳米管)和微尺度填料(石墨粉和膨胀石墨)。由于自相似和层次结构,这种疏水性沥青证明砂纸磨损机械鲁棒性。此外,这种沥青复合材料表现出良好的导电性,自洁性能优异,优良的耐腐蚀性能。

数据可用性

视频数据用于支持本研究的结果中包括文件的补充信息。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家电网河北电力研究所(kj2019 - 063: no-dig腐蚀检测技术的地面网格)。

补充材料

以下是网上。电影S1: antiabrasion测试。电影S2:自洁测试。(补充材料)