高分子涂层制备技术研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:李建昌

  高分子涂层具有阻隔、耐腐蚀、耐摩擦、防潮湿和绝缘等优点,广泛应用于航空航天、机械等领域。本文综述了高分子涂层的制备,发现其制备方法具有多样性,但多在大气环境中进行,存在高温分解、涂层内应力大和衬底结合力差等问题。对聚酰亚胺薄膜制备研究表明,溶胶- 凝胶薄膜存在大量微孔,干燥过程中逸出气体及有机物易产生收缩效应,降低涂层与基底的结合强度;气相沉积聚合法所制薄膜均匀性不易控制,易受挥发溶剂影响;缩聚法对设备要求较高,适于实验室研究。真空喷射法作为一种新方法,可弥补上述不足,具有良好的应用前景,有待进一步研究。

  随着科学技术的发展,高分子纳米复合材料以其良好的力学、阻隔和热稳定等性能受到广泛关注。其中,高分子有机涂层主要作为电热阻隔层,热防护层,导电层,减震、隔声层,防水耐湿层,耐温、耐腐蚀层,耐辐照层和优良机械性能层,广泛用于航空、电气、化工、微电、机械等行业。纳米粒子具有许多新的特性,利用其对高分子材料进行改性,可使高分子涂层的性能更加优异。目前,高分子涂层材料的改性技术主要有共聚改性、共混改性、互穿网络聚合物(IPN)、填料填充和纳米改性,如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),其薄膜的水气阻隔和电气绝缘性用于太阳能电池背板。通过对PET 改性,可获不同性能的有机涂层,如PEG-PET 共聚酯的抗静电性,PET/MMT 的气液阻隔性。聚酰亚胺(PI)具有优良的热稳定性、化学稳定性,良好的机械性能和较低的介电常数和附着力,是目前耐热性最好的有机薄膜材料。通过对PI 掺杂无机纳米材料可获特殊用途的杂化薄膜,如PI/SiO2 纳米杂化薄膜,PI/SiO2-Al2O3 共掺杂杂化薄膜和PI/ZrW2O8 杂化薄膜。高分子涂层表面性能的表征技术主要包括交流阻抗、电化学噪声、扫描开尔文探头、碘还原滴定测量、化学荧光等五种化学测量技术和傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、电子自旋共振谱(ESR)、X 射线光电子能谱(XPS)、动态热机械分析(DMA)、正电子湮灭寿命谱(PALS)、红外热成像法(Infrared thermography)、扫描电子显微镜(SEM) 等七种物理检测技术。

  高分子涂层性能的优劣主要取决于涂层结构,表面光滑致密性和基底之间的结合强度,故高分子涂层的制备对提高其性能尤为重要。现今有机涂层制备方法,如流涂工艺、热致相分离(TIPS) 、磁控溅射,多在大气下进行,易受环境中杂质和灰尘的影响,使涂层出现孔洞。同时,有机高分子材料高温下易热致烧蚀,化学分解,这就要求有机涂层和薄膜制备过程中严格控制温度范围。随着跨学科领域合作日渐紧密,许多纳米技术工艺均与液相材料相关。高分子材料可溶于有机溶剂,可使涂层材料在溶液中均匀分散,有效避免温度过高将材料结构破坏,同时通过溶液使高分子溶质沉积在衬底上,实现高质量成膜。为减少成膜过程中外界环境的污染,并增加涂层与衬底的结合力,亟需一种满足上述要求的新型制备方法。真空喷射法[26~28]充分利用真空条件与液相技术并融合化学技术,可制备质量轻、面积大及表面光滑致密的有机薄膜,具有膜厚均匀、杂质少及薄膜成份梯度可控等优点[29],该方法是现阶段较理想的技术之一。

  1、高分子有机涂层制备技术

  高分子有机涂层将有机高分子涂料以特定的方法和手段涂敷于物体表面,通过添加不同的染料和添加剂,使薄膜具有屏蔽、阻隔、防蚀、耐摩擦、增透、过滤、传输、防(耐)湿、亲水和绝缘等性能。高分子有机涂层的主要成膜物质为树脂类,包括酚醛树脂、丙烯酸酯和聚氨酯树脂等。目前,关于高分子涂层的研究报道很多,主要集中于酚醛树脂、丙烯酸树脂、PET(多用于做衬底材料)、PI 等材料。

  表1 为高分子有机涂层制备综述。研究人员利用FT-IR、电子自旋共振谱、原子力显微镜(AFM)、SEM 和X 射线衍射仪(XRD)等仪器,通过交流阻抗、电化学噪声、扫描开尔文探头、碘还原滴定测量和化学荧光等技术,对不同器件薄膜进行了研究。

表1 不同高分子有机涂层制备方法及性能比较

不同高分子有机涂层制备方法及性能比较

  综上所述,在制备PI 及其杂化薄膜的方法中,溶胶- 凝胶法具有厚度精密度高,光泽度好,性能稳定,可在很短时间内获得均匀涂层或薄膜等优点,但凝胶中存在大量微孔,在干燥过程中易逸出许多气体及有机物,并产生收缩,致使薄膜与基底的结合强度较低。同时,该方法生产能力低、设备费用大、占地面积多、工人操作劳动强度大、能耗高;气相沉积聚合法具有成膜均匀致密、纯度高、电导率低,具有与塑性材料相当的表面能等优点,但存在薄膜厚度和均匀性不易控制,易受挥发性溶剂影响和温度过高等缺点;缩聚法通过溶剂降低了反应温度,易使难溶的单体溶解,可实现填充粒子的均匀分散,保持了粒子的纳米特性,但该方法对设备的要求较高,不利于工业化生产。针对现有问题,真空喷射法作为一种新型薄膜和涂层制备方法,可实现上述目的。该方法充分利用了真空条件与液相技术并融合了化学技术。真空环境可有效减少薄膜中空气及溶剂残留;液相技术使高分子材料溶于有机溶剂形成均相溶液,有利于涂层或薄膜中溶质的均匀分布,具有低成本、快速和常温等优点;同时,通过喷射,可增加射流的动能,使涂层或薄膜与基底的结合力增强(基底可适当加热)。目前,真空喷射法广泛地应用于高分子有机纳米复合薄膜, 如聚碳酸酯((t-Bu)4CuPc) 、聚乙烯(MEH-PPV)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米功能薄膜。真空喷射法可制备质量轻、面积大及表面光滑致密的有机薄膜,且该薄膜具有膜厚均匀、杂质少及薄膜成份梯度可控等优点,可用于高分子有机涂层制备,具有很好的应用前景。

  3、结论与展望

  本文综述了高分子涂层的制备方法,发现其方法多在大气环境中进行,存在高温,涂层或薄膜内应力大和衬底结合力低等问题。PI 薄膜制备技术研究表明:溶胶- 凝胶法的凝胶中存在大量微孔,干燥过程中逸出的气体及有机物使薄膜产生收缩,降低与基底结合强度;气相沉积聚合法存在膜厚均匀性不易控制,易受挥发性溶剂和温度影响;缩聚法对设备要求较高,不适于工业化生产。

  真空喷射法可制备质量轻、面积大及表面光滑致密的有机薄膜,具有膜厚均匀、杂质少及薄膜成份梯度可控等特点,可有效解决现有高分子涂层制备技术中存在的不足,具有很好的应用前景。

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