透明超疏水涂层的制备及应用研究

论文摘要

目前,类荷叶表面仿生超疏水涂层的制备及应用研究已得到国内外研究学者的广泛关注。随着纳米技术的日趋完善,人们越来越多的从机理上探讨自然界中超疏水现象的原因和解释,并以此为理论依据仿生制备具有诸多功能和应用前景的超疏水涂层,用于生产生活的方方面面。随着超疏水涂层研究的深入,人们对其功能和应用的要求也越来越高,根据应用范围的不同制备具有特定性质功能的涂层已是大势所趋。而应用于玻璃以及建筑外墙上的超疏水涂层,透光性是非常重要的参数之一,只有在提高表面疏水性的同时兼顾到透光性,才能成功构建满足人们所需的透明超疏水涂层。本文重点致力于在玻璃表面构建透明超疏水涂层,首先通过有机-无机杂化,无机粒子改性等方法提高基质表面粗糙度,并严格控制粒子尺寸,最大限度上保持基质表面透明度,之后进行无氟/含氟硅氧烷后续修饰,将低表面能基团接枝到前步制备的粗糙表面上,从而得到性质稳定,经久耐磨的透明超疏水涂层。具体研究内容为：（1）以正硅酸乙酯为硅源,通过溶胶-凝胶过程与聚乙二醇形成PEG/SiO2有机-无机杂化材料,经过相分离过程,提高了玻璃表面粗糙度,之后经过低表面能物质六甲基硅氮烷的后续修饰,最终在玻璃表面构建了透明超疏水涂层。实验讨论了反应温度,PEG分子量,PEG用量,以及PEG/SiO2复合比例对超疏水涂层透明度和疏水性的影响,确定了制备透明超疏水表面的最优条件。结果表明,制备所得涂层接触角最大为168°,可见光区透过率在89%以上。该涂层还可以用在对疏水性和光学性能有一定要求的其它基质表面上。（2）采用传统的Stober法,通过溶胶-凝胶过程,调节温度、氨水量等因素制备了粒径范围在10-100nm的单分散纳米SiO2粒子,利用硅烷偶联剂对单分散纳米Si02粒子进行表面改性,之后通过表面改性基团之间的反应进行不同尺寸粒子的组装,得到颗粒复合型微/纳结构SiO2粒子,实现了类荷叶表面分级粗糙结构的仿生构建。实验结果表明,制备得到的微/纳结构SiO2粒子结构较为均匀,尺寸较大粒子（50-100nm）表面附着尺寸较小粒子（10-30nm）,和荷叶表面乳突上存在纳米级细小突起的结构非常类似,这种二元粗糙结构符合疏水机理中的Cassie模型,是实现超疏水涂层构建的重要影响因素。（3）使用上一章制备所得微/纳结构SiO2粒子分散液,利用活性羟基脱水缩合反应将微/纳结构SiO2粒子沉积在玻璃表面,提高玻璃基质表面粗糙度,之后在粗糙处理后的玻璃表面浸涂含氟硅氧烷（G5O2）水解疏水液,将烷基长链接枝到处理后的基质表面,制备得到透明度和超疏水性兼备的类荷叶表面超疏水涂层。通过对比实验发现,使用微/纳结构SiO2粒子进行表面粗糙处理的涂层疏水性比使用单一粒子处理的涂层疏水性提高很多,并且通过对微/纳结构SiO2粒子尺寸的控制,涂层的透明度没有受到很大影响,说明利用微/纳结构SiO2粒子构建涂层表面粗糙结构,是实现涂层由疏水到超疏水跨越的关键步骤。这对于我们进一步解释超疏水机理,研究透明超疏水涂层的制备和应用有着很大的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 超疏水现象及理论基础
• 1.1.1 自然界中的超疏水现象
• 1.1.2 超疏水现象的理论基础
• 1.1.2.1 接触角理论
• 1.1.2.2 Young's润湿方程
• 1.1.2.3 Wenzel模型
• 1.1.2.4 Cassie-Baxter模型
• 1.1.2.5 Wenzel和Cassie模型之间的关系
• 1.2 超疏水表面的制备方法
• 1.2.1 溶胶-凝胶法
• 1.2.2 气相沉积法
• 1.2.3 模板法
• 1.2.4 电纺法
• 1.2.5 层层自组装法
• 1.2.6 其他方法
• 1.3 超疏水表面的应用及研究现状
• 1.3.1 透明疏水涂层
• 1.3.2 金属表面抗腐蚀涂层
• 1.3.3 防冻和防雪
• 1.3.4 具有特定润湿性的功能纺织品
• 1.4 本论文选题及主要研究内容
• 参考文献
• 2杂化透明超疏水涂层的制备及疏水研究'>第二章 PEG/SiO₂杂化透明超疏水涂层的制备及疏水研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂及仪器
• 2.2.1.1 实验试剂
• 2.2.1.2 实验仪器
• 2.2.2 玻璃基质表面预处理
• 2.2.3 二氧化硅溶胶的制备
• 2.2.4 PEG溶液的配制
• 2.2.5 有机-无机复合溶液的配制
• 2.2.6 涂膜煅烧及后续修饰
• 2.3 结果与讨论
• 2溶胶的制备及其表征'>2.3.1 SiO₂溶胶的制备及其表征
• 2.3.1.1 反应温度的选择
• 2溶胶粒子形貌分析'>2.3.1.2 SiO₂溶胶粒子形貌分析
• 2粒子的XRD分析'>2.3.1.3 SiO₂粒子的XRD分析
• 2杂化材料的制备及其对涂层性质影响因素探讨'>2.3.2 PEG/SiO₂杂化材料的制备及其对涂层性质影响因素探讨
• 2.3.2.1 PEG分子量的影响
• 2.3.2.2 PEG用量的影响
• 2溶胶杂化比例的影响'>2.3.2.3 PEG与SiO₂溶胶杂化比例的影响
• 2复合涂层性能测定'>2.3.3 PEG/SiO₂复合涂层性能测定
• 2.3.3.1 涂层的疏水性能分析
• 2.3.3.2 涂层的透光性能分析
• 2.3.3.3 涂层疏水性和透光性图像
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2的制备'>第三章 颗粒复合型微/纳结构SiO₂的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.1.1 试剂
• 3.2.1.2 仪器
• 3.2.2 实验方法
• 2醇溶胶的制备'>3.2.2.1 SiO₂醇溶胶的制备
• 2粒子的表面改性'>3.2.2.2 SiO₂粒子的表面改性
• 2粒子的制备'>3.2.2.3 微/纳结构SiO₂粒子的制备
• 3.3 结果与讨论
• 2粒子反应机理'>3.3.1 正硅酸乙酯水解制备SiO₂粒子反应机理
• 2粒子粒径的影响'>3.3.2 温度对SiO₂粒子粒径的影响
• 2粒子粒径的影响'>3.3.3 氨水量对SiO₂粒子粒径的影响
• 2粒子的粒径分布'>3.3.4 SiO₂粒子的粒径分布
• 2粒子表面改性'>3.3.5 SiO₂粒子表面改性
• 2粒子形貌分析'>3.3.6 微/纳结构SiO₂粒子形貌分析
• 3.3.7 XRD分析
• 2粒子形成机理'>3.3.8 微/纳结构SiO₂粒子形成机理
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2粒子在透明超疏水涂层制备中的应用'>第四章 微/纳结构SiO₂粒子在透明超疏水涂层制备中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.1.1 试剂
• 3.2.1.2 仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.2.1 玻璃表面预处理
• 4.2.2.2 疏水液的制备
• 4.2.2.3 透明超疏水涂层的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 涂层表面形貌分析
• 4.3.1.1 涂层SEM分析
• 4.3.1.2 涂层AFM分析
• 4.3.2 涂层疏水性分析
• 4.3.4 涂层透光性分析
• 4.3.5 涂层稳定性分析
• 4.3.6 涂层疏水性和透光性图像
• 4.3.7 仿生超疏水涂层的构建机理
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢