粉煤灰基超疏水涂层的研究

发布时间：2020-05-12 14:32

【摘要】：超疏水涂层具有自清洁的特性,应用于现代生活中的各个方面提供了非常大的便利,具有重要的研究价值。本文针对当前超疏水涂层制备方法复杂、成本高、不利于大规模使用的问题,采用超细粉煤灰(二氧化碳/氢氧化钙/电石渣)、硅烷偶联剂为主要原料,通过喷涂法制备硅烷改性粉煤灰基超疏水涂层,研究了不同配方对涂层疏水效果的影响规律得到最佳配方,并将其应用于泡沫混凝土及浇筑模具。本文的主要研究内容如下:(1)以超细粉煤灰、硅烷偶联剂、乙醇为原料,将粉煤灰颗粒加入至溶有硅烷偶联剂的乙醇溶液,再将其超声20 min后得到硅烷改性粉煤灰基超疏水涂层。研究了粉煤灰表面接枝不同疏水官能团硅烷偶联剂及其添加量和粉煤灰添加量对涂层疏水效果的影响,优选出使涂层疏水效果最好的硅烷偶联剂及其添加量和粉煤灰添加量。结果表明在氨丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷、苯基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷等五种硅烷偶联剂中,十七氟癸基三乙氧基硅烷的表面能最低,在50 mL的乙醇中其最佳添加量2%,超细粉煤灰添加量为5 g,涂层水的接触角为154.34°,达到超疏水要求。通过FTIR、SEM-EDS、AFM等表征手段对超疏水涂层的微观结构、表面官能团及粗糙度等进行了深入分析,探索了涂层的超疏水原理。FTIR、SEM-EDS和AFM测试结果表面氟硅烷成功接枝到粉煤灰的表面,涂层粉煤灰颗粒之间的空隙与粉煤灰颗粒表面微小的突起共同形成微纳米的粗糙结构使得涂层超疏水,表面均方粗糙度为237 nm,由Cassie理论计算得出水在涂层表面接触面积百分数1)_()=18.87%,空气垫层的面积百分数为81.13%,进一步说明涂层表面形成与荷叶相似的微纳米结构。所制备的涂层具有优异的超疏水特性,并且实现了粉煤灰的综合应用。(2)以超细粉煤灰-氢氧化钙/电石渣-二氧化碳、硅烷偶联剂、乙醇为原料,先将粉煤灰、氢氧化钙/电石渣加入水中搅拌均匀,通入二氧化碳进行碳酸化反应制得碳化粉煤灰颗粒,再将其加入至氟硅烷的乙醇溶液中制得碳化粉煤灰基超疏水涂料。考察了一定量的粉煤灰与氢氧化钙混合物的碳化程度(不同碳化时间)制得的碳化粉煤灰对涂层疏水性能的影响。结果表明粉煤灰和氢氧化钙混合物(总量为20 g,两者1:1混合)的最佳碳化时间为10 min制得碳化粉煤灰颗粒,再将其5 g加入至氟硅烷添加量为0.1%的50 mL乙醇溶液中,制得涂层水的接触角为156.4°;另外,碳化时间来决定生成的碳化颗粒的程度不太准确,则再考察了氢氧化钙(电石渣)与粉煤灰不同比例的混合物碳化反应完全后碳化产物对涂层的疏水性的影响,氢氧化钙/电石渣最佳添加量为5%时涂层水的接触角均大于150°,在满足疏水要求的条件下既更好确定了碳化程度又处理了电石渣。相比氟硅烷改性粉煤灰基超疏水涂层,碳化粉煤灰基超疏水涂层中氟硅烷的添加量由2%降低至0.1%,大幅降低了成本。通过SEM和AFM分析得出碳化后粉煤灰颗粒表面分布着碳酸钙颗粒形成大的突起,表面粗糙度明显增加,涂层满足Cassie理论。所制备的涂层疏水性能优异,碳化粉煤灰给构造超疏水粗糙表面提供了一个全新的成本低廉,操作简单的方法。(3)在泡沫混凝土试块表面涂刷粉煤灰基防水涂料作为底涂,实干后再喷涂超疏水涂层作为表涂,该复合涂层明显降低了试块的吸水率,具有良好的防水特性;在混凝土浇筑模具表面喷涂聚酯-环氧混合型涂料为底涂,再喷涂超疏水涂层为表涂,经烘干、高温固化后制得易脱模涂层,对其进行脱模测试,使用十次后试板仍能轻松脱模,涂层表面无明显变化,仍具有超疏水的效果。这为超疏水涂层增加了新的应用前景。本文制备的粉煤灰基超疏水涂层具有疏水性能优异、制备方法简单、成本低的优点,弥补了目前超疏水涂层的不足,有很好的应用价值。
【图文】：

荷叶,微观结构,超疏水

1.1.1 超疏水概念固体表面的润湿性是液体在其表面铺展的能力或倾向，主要取决于其表面的微观结构和化学组成[5,6]。表面是否疏水可以用表面与水的接触角的大小来表征[7]。超疏水表面水的静态接触角大于 150°，疏水性表面的水的接触角大于 90°，小于 90称为亲水性表面[8,9]。雨后荷叶非常的清洁，这是由于其表面的超疏水特性，使得水滴无法铺展呈现成球状，水珠可以自由滚动带走了荷叶表面的污物，这种自清洁现象被称为“荷叶效应”[10]。Barthlott 和 Neinhuis[11]借助 SEM 观察发现，荷叶的表面有众多微小的乳突，而在这种微米级的乳突上，又覆盖了许多纳米尺寸的凸起，并且其表面覆盖有长链烯烃类的低表面能的生物蜡质；江雷[12]等研究发现荷叶表面微小突起尺寸平均直径为 10 微米左右，纳米尺寸的凸起直径在 200 纳米左右，并且荷叶表面覆盖了一层白色蜡状物质，共同实现了其表面的超疏水现象。这些都为我们提供了理论和实验的依据。

工艺流程图,工艺流程图,粉煤灰,不干胶

图 3.2 粉煤灰 XRD 分析图 3.3 超细粉煤灰 SEM 图制备方法溶于乙醇，再加入无机固废粒子，超声 20 min，，制得粉煤灰在底材上喷一层喷雾 3M 超级不干胶粘合剂，然后再喷涂超程图如图 3.4 所示。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU561.6

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