β-FeOOH/PDMS超疏水涂层的制备及其性能研究
曹京宜1，张海永1，杨文静2，陈蓉蓉*2，刘婧媛2，王君2
(1. 中国人民解放军92228部队，北京100072；
2. 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨150001)
摘要
通过环保的一步水热法制备了疏水性的β-FeOOH纳米粒子，将其添加到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，采用喷涂法在镁合金AZ31表面制备β-FeOOH/PDMS疏水涂层，利用X射线衍射（XRD）和傅里叶红外光谱分析（FTIR）对超疏水涂层进行了表征，并研究了其耐磨性、耐腐蚀性、自清洁及抗海藻粘附特性。结果表明，当m（β-FeOOH）：m（PDMS）=85:100时，涂层达到超疏水状态，水接触角为152.6°；摩擦磨损实验证明超疏水涂层的稳定性；电化学测试表明涂层在15 d内对基底能起到腐蚀防护作用；此外涂层还表现出优异的自清洁性、防污泥和抗海藻粘附性。
引言
超疏水涂层是指水接触角大于150°，滑动角小于10°的表面，因其自清洁、抗腐蚀、抗污和减阻等应用而引起了广泛的关注。在过去几十年间，研究者们已经采用相当多的技术制备了具有极端疏水性的涂层，如水热[1]、电沉积[2]、化学蚀刻[3]和热压印[4]。事实上，超疏水难以大规模应用，其中一个原因就是制备方法受限。为了拓展超疏水涂层的应用，开发一种操作简便、低成本的方法以拓展超疏水涂层的大规模应用仍是众多研究者需要攻克的难点。在目前的技术中，喷涂法是一种相对简单的制备超疏水涂层的方法。Ogihara等[5]利用喷涂纳米颜料颗粒悬浮液制备超疏水涂层，通过改变悬浮液颜料粒径可调控涂层的超疏水性。同时，喷涂工艺可适用于各种基底材料（例如铜、玻璃、纸、捆线），并且所制备涂层的超疏水性是可修复的。
氧化铁-氢氧化物（FeOOH）也称羟基氧化铁，广泛存在于土壤、水体沉积物和矿山废水等自然环境中，常见存在形式有针铁矿（α-FeOOH）、碱金属矿（β-FeOOH）和纤铁矿（γ-FeOOH）。它们具有不同的结构，如纳米锭、纳米棒、纳米球、纳米片和纳米盘，且经常用作前驱体来生产具有特殊形状和纳米结构的Fe2O3晶体。羟基氧化铁具有较大的比表面积和独特的纳米结构，在光降解城市污水、吸收废水中致癌金属离子、核磁共振等领域应用广泛[6]。Wang等[7]便通过简单的一步法制备了β-FeOOH纳米粒子，从而合成了具有分层结构的超疏水纳米粒子。
本文通过水热法成功地制备了疏水性的β-FeOOH纳米粒子，将其添加到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，并采用喷涂法将其喷涂在镁合金表面构筑了β-FeOOH/PDMS超疏水涂层。通过FT-IR、XRD、SEM和接触角测量仪对合成的纳米粒子及超疏水涂层的组成成分、形貌和润湿性进行研究，并且通过摩擦磨损试验机、电化学工作站及海藻粘附实验对超疏水涂层的稳定性、耐腐蚀性和抗海藻粘附等性能进行研究。
结论
3.1涂层水接触角随着β-FeOOH粒子添加量的增加而增大，当m（β-FeOOH）：m（PDMS）=85:100时，涂层达到稳定的超疏水状态，水接触角为152.64±1.21°。摩擦磨损实验中较低的平均摩擦系数和磨损量证明该超疏水涂层具有一定的耐磨性及稳定性。
3.2 将空白镁合金和涂层在3.5 wt% NaCl溶液浸泡3 h后测试极化曲线，继续浸泡至14 d持续测试EIS，结果表明该超疏水涂层的阻抗仍稍大于空白镁合金，说明涂层在短时间内有较好的耐腐蚀性。经过灰尘的自清洁测试、污泥悬挂实验、小新月藻液浸泡实验，结果表明涂层有优异的自清洁、防污损及抗海藻粘附性。
目录
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 复合涂层的制备方法和步骤
1.2.1 镁合金表面的预处理
裁剪尺寸为30 mm×30 mm的AZ31型镁合金，依次用600#、1000#及2000#砂纸将镁合金表面打磨，用酒精棉擦拭干净，烘干备用。
1.2.2 纳米β-FeOOH颗粒的制备
1.2.3 疏水复合涂层的制备
1.3 性能测试与表征
1.3.1 涂层润湿性测试
将4 μL的液滴滴在样品上，随机取3个以上不同测试点，测定静态接触角，并取平均值作为最终静态接触角测量值。
1.3.2 涂层表面形貌观察
将涂层剪下粘贴到导电胶上。对粘有样品的铜片进行表面喷金处理后，在扫描电镜下进行形貌观察。
1.3.3 红外测试
将涂膜样品粉末用KBr压片在500～4000 cm−1范围内测试样品颗粒以及涂层含有的官能团。
1.3.4 涂层机械稳定性测试
使用高温摩擦磨损试验机测定超疏水涂层的机械稳定性，考虑到该涂层多应用于常温条件下，因此摩擦磨损实验在室温下进行。测试时间为10min，载荷170g，对磨材料是高碳铬轴承钢GCr15，电机频率1.1，摩擦半径为3 mm。
1.3.5 涂层防腐性能测试
1.3.6 涂层自清洁测试
1.3.7 涂层抗海藻粘附测试
2 结果与讨论
2.1 β-FeOOH粒子特性及比例对涂层润湿性和表面形貌的影响
为了确定合成的纳米颗粒结构和组成，对其进行FT-IR和XRD分析。
2.2 β-FeOOH/PDMS超疏水涂层的机械稳定性研究
微结构的破坏是超疏水涂层在应用中面临的一大难题，机械磨损、刮擦等行为会破坏涂层表面微结构，从而使涂层丧失超疏水性。本文通过摩擦系数以及磨损量来评估β-FeOOH/PDMS超疏水涂层的机械稳定性，结果如图4所示，所测试的超疏水涂层的厚度为45.33±2.52 µm。
2.3 β-FeOOH/PDMS超疏水涂层的耐腐蚀性研究
耐腐蚀性能是镁合金非常重要的性能，拓宽镁合金的广泛应用首先就要解决镁合金易腐蚀的问题，其中最有效的解决方法是在镁合金表面涂覆防护层作为阻挡腐蚀性液体的屏障[10,11]。通过电化学阻抗谱测试来评价β-FeOOH/PDMS超疏水涂层对镁合金基底的腐蚀防护性能，图5a为空白镁合金和β-FeOOH/PDMS超疏水涂层在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡时间分别为1、3、7、11、13、15 d后的Nyquist图。
2.4 β-FeOOH/PDMS超疏水涂层的自清洁性研究
自清洁性是超疏水表面的重要性能，对超疏水表面的应用有很大影响。自清洁测试结果如图6a～6c所示，超疏水表面的污染物可以轻易地随液滴滚落而被带走，而空白镁合金表面的污染物在液滴冲刷后无法滑落，这是因为镁合金和灰尘都是亲水的，水滴滴落在表面后就同泥土一样粘附在表面上。
2.5 β-FeOOH/PDMS超疏水涂层的抗海藻粘附研究
海洋生物在材料表面附着首先依赖于细菌及藻类等在表面粘附形成一层生物膜，这对生物污损层的形成有重要影响[13]。因此，抑制藻类的粘附对海洋防污来说是非常重要的。镁合金和涂覆超疏水涂层表面的抗海藻粘附性能测试结果如图7所示。
3 结论
引用本文：曹京宜, 张海永, 杨文静, 等. β-FeOOH/PDMS超疏水涂层的制备及其性能研究[J].化学试剂, 2020, 42(8):908-914.
