2结果与讨论

2.1傅立叶红外光谱表征

FPU的FT-IR分析结果如图1所示。

图1 FPU红外特征图谱

2.2 FPU薄膜的性能及热性能

FPU薄膜的性能和热分解温度如表1所示。

表1 FPU薄膜的性能与热分解温度

由表1可见，含氟聚氨酯固化膜和玻璃基材之间的附着力达到0级，铅笔硬度大于2H。FPU薄膜与水的静态接触角为106.4°，远高于不含氟的聚氨酯膜。本研究的FPU薄膜在浸泡24 h后吸水率趋于平衡，泡水200 h后吸水率不高于1.79%，远低于一般的聚氨酯的5%吸水率。归因于C—F链段具有很低的表面张力，会自发地向表面迁移并富集，降低了表面张力，提高了材料的憎水性。除此之外，从表1中还可知FPU的T10和T50分别为237.8和329.2℃。与一般聚氨酯材料相比，FPU的热稳定性没有很大程度的提升。

2.3超疏涂层的表面形貌分析

众所周知，表面微结构形貌在增强表面超疏性能方面起着重要作用。图2是超疏涂层的SEM图像，图3是超疏涂层的AFM图像。

图2超疏涂层的SEM图像

图2a中能够清楚地观察到表面有1～2μm的凸起和200～300 nm的孔隙。图2b是局部放大图，明显看出在涂层表面具有纳米级的凹凸结构，且涂层表面分布有大量不均匀的粗糙孔结构。许多小孔分布在这些凸起之间，小凸起与小孔共同形成珊瑚状结构，导致更多的空气被捕获到这些孔隙中。

图3超疏涂层的AFM图像

图3a能够看出，涂层表面有560 nm左右的大的凸起和590 nm左右的凹陷，粗糙表面呈现出许多微尺度起伏，并且在图3b中的局部放大部分显示在大凸起上有许多很细小的纳米凸起结构，这些大的凸起是由直径1.3μm和约300 nm的SiO2共同构成，细小的凸起是直径60 nm的SiO2堆叠而成。这种微纳米凹凸结构对材料超疏性能做出贡献。XPS测试得知表面氟质量分数为23.54%，高于理论19.8%的氟含量。说明FPU中的CF2和CF3基团已经迁移到薄膜表面并在表面富集。综上所述，超疏涂层不仅具有优异的表面微结构还具有极低的表面张力。

2.4超疏涂层的表面性能

为了检测涂层的表面性能，分别测试了5种液体在其表面的静态接触角和滚动角，结果见表2。

表2不同表面张力液体在超疏涂层上的接触角和滚动角

由表2可见，超疏涂层对于表面张力在48.4～72.4 mN/m的液体具有超疏能力。分析其原因，一方面是由于FPU中含有大量低表面能的C—F键，在形成纳米复合材料膜期间，含氟链段优先迁移到薄膜表面，从而使其表面张力降低;另一方面在于使用低固含量的FPU溶液涂覆，最大程度保留了玻璃片表面微纳米结构的凹凸结构特征。

2.5超疏涂层的化学稳定性

在实际应用中，超疏涂层将会不可避免地面临严苛环境的考验，为此模拟测试了超疏涂层在不同溶液和溶剂中的化学稳定性，结果如图4所示。

图4超疏涂层在不同溶液中水的接触角和滚动角

由图4可知，超疏涂层在无水乙醇和二氯甲烷中浸泡168 h后仍然保持超疏水性能;在pH=1的酸性溶液和质量分数3.5%的NaCl溶液中浸泡120 h后与水仍然保持超疏性能。但在pH=14的碱性溶液中浸泡48 h后接触角低于150°且已无法滚动。这说明涂层具有较好的耐酸、耐盐水和耐溶剂性能，但是耐碱性欠佳。

2.6超疏涂层的耐磨性能

图5为超疏涂层在经过19次磨损的每次磨损周期后对水的接触角和滚动角变化情况。

图5涂层在19次磨损周期对水接触角和滚动角变化

由图5可见，超疏涂层在经历了19个回合后表面出现破损，但是涂层与水的静态接触角大于150°且滚动角小于10°，表明依旧具有超疏水性能。由此可见，虽然FPU薄膜只有2～3μm左右的厚度，但是仍然极大地提高了涂层的机械稳定性。原因在于表面涂覆的FPU薄膜是特殊的软硬两相结构，同时氢键化程度高，最大限度地吸收来自外部摩擦的冲击能，因而具有优良的耐磨性。

3结论

(1)FPU薄膜具有较好的硬度、基材附着力、热稳定性和憎水性；通过SEM和AFM图片证实了超疏水涂层具有良好的微纳米凹凸结构;通过XPS测试可知涂层表面具有极低的表面张力。

(2)超疏水涂层对于表面张力在48.4～72.4 mN/m的液体具有超疏能力;具有优良的耐磨性以及较好的耐酸、耐盐水和耐溶剂性能，但耐碱性欠佳。