Page 45 - 摩擦学学报2025年第8期

第 8 期 孟维晟, 等: 遥爪型全氟聚醚自组装膜的表面性能及抗磨损和抗腐蚀性能研究 1143

水、乙醇和壬烷在PFSi自组装膜表面的接触角. 使用 处归属于羧酸的伸缩振动峰消失，2 925和2 854 cm −1
MS-9000摩擦试验机测试PFSi自组装膜的抗磨损性 处-CH 和-CH -伸缩振动峰出现，这些峰为硅氧烷基
2
3
−1
能. 使用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)和VHX- 的甲基及亚甲基的特征伸缩吸收峰；1 151 cm 处的
6000超景深三维表面轮廓仪测量PFSi自组装膜形貌、 强吸收带为Si-O-C伸缩振动峰，红外结果表明成功合
表面磨斑形貌、氟含量和磨损量. 使用EMPYREAN 成了PFSi.
高温原位材料结构分析系统通过X射线衍射(XRD)测 通过红外表征将生长有PFSi的硅片与纯硅片对
−1
试PFSi自组装膜表面的表面结构. 比可以发现[图3(b)]，相较于纯硅片，1 046 cm 处C-F

键的吸收峰强度有较大提升，表明硅片表面已生成含
2 结果与分析 氟聚合物；同时2 923和2 851 cm 处-CH -的伸缩吸收
−1
2
2.1 遥爪型全氟聚醚与其自组装膜的红外表征 峰出现，此为原PFPE链与硅氧烷连接处亚甲基残基的
图3所示为PFSi及其自组装膜的红外对比结果， 吸收峰. 这些吸收峰的出现表明PFSi已通过自组装方
红外光谱显示，相较于原料[图3(a)]，PFSi在1 781 cm −1 式在硅片表面生长形成膜结构.

(a) (b) Silicon
Intensity/a.u.
1 781 cm −1 Silicon-PFSi

Intensity/a.u. 2 854 cm −1 Intensity/a.u. 1 300 1 200 1 100 1 000 900
1 046 cm −1
Wave number/cm −1
2 925 cm
PF −1 −1
PFOH 1 151 cm
PFSi −1 2 851 cm −1
2 923 cm
3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 3 200 2 800 2 400 2 000 1 600 1 200 800
Wave number/cm −1 Wave number/cm −1
Fig. 3 Comparison of IR spectra: (a) PFSi; (b) the self-assembled films
图 3 红外光谱对比：(a) PFSi；(b)自组装膜

2.2 自组装膜的表面性能研究 r d water =21.8 mN/m， r water =72.8 mN/m； r diiodomethane =2.3 mN/m，
p
为测试表面接枝有遥爪型全氟聚醚硅片的表 r d =48.5 mN/m， r p diiodomethane =50.8 mN/m.
diiodomethane
面性能，分别测试水和二碘甲烷的接触角及通过 测试及计算结果表明，与纯硅片相比，表面经
Owens二液法几何平均方程计算表面张力，表面张力 PFSi处理过的硅片具有较大的水(>110°)和二碘甲

计算公式如下. 烷(>99°)接触角，如图4(a)所示，其表面张力也随之降
d 1/2
d
p 1/2
p
r L (1+cosθ) = 2(r ·r ) +2(r ·r ) (1) 至9 mN/m，如图4(b)所示. 这得益于全氟聚醚分子链
S
L
L
S
低表面能特性，使生长有PFSi的硅片获得双疏性能.
d
r S = r +r p (2)
S S 在以海水、乙醇和壬烷为测试液体的接触角测试中，
p
其中： r L 为液体表面张力， 和 分别为色散分量和极 表面生长有PFSi的硅片相比于纯硅片的接触角均显
r
d
r
L L
性分量，θ为液体在固体表面上的接触角， r S 为固体的 著提升，如图4(c)所示，表明PFSi能有效降低液体在硅
p
表面张力， r 和 分别为固体表面张力的色散分量和 片表面的润湿性，具有降低水溶性和油溶性污物在硅
d
r
S
S
极性分量. 片表面附着的能力，使其具备了一定的防污性能. 此
分别将2种已知液体的表面张力 r L 和其分项 和 外，其优异的抗海水性能(CA>110°)能够有效防止电
d
r
L
p
r 及接触角θ代入式(1)中，即可得包含2个独立方程的 解质水溶液在硅片表面的附着，具有一定的防腐蚀能
L
p
方程组，解此方程组便可求出 r 和 ，进而由式(2)求 力. 但与水和海水相比，极性相对较小的乙醇和壬烷
d
r
S
S
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出固体的表面张力. 在PFSi表面具有较低的接触角，根据Fowkes模型 ，
在本试验中选择水和二碘甲烷作为测试液体，表 表面张力被定义为极性和色散分项的总和，其对表面
面张力及色散分量和极性分量分别为 r water =51 mN/m， 张力的贡献决定了表面对极性和非极性液体的亲和