透明超疏水涂层的制备及应用研究
发布时间：2021-09-17 10:45
在现实生活中,很多表面容易积灰沾水,这样会导致表面的透光度减小,且有些表面清洗困难,这不仅会导致经济损失,还会给人们的生命安全带来隐患。为了避免这种现象,需要定期对表面进行清洁处理。通过改变表面的浸润性使其达到超疏水的要求,从而使得该表面具有自清洁的特点,较传统方法来说,这种方法无需增加额外的设备和经济损耗,是一种较为理想的方法。本课题首先对表面的超疏水性及透明性原理进行学习,然后探究超疏水性和透明性的影响因素,知道了固体材料表面的疏水性除了受表面自由能和表面粗糙度的影响之外,还会受到诸如温度、压力、电场作用等外界环境的影响,当涂层表面的微观结构的粗糙度尺寸为100nm或者更小时,其表面透光度将大于95%。然后借助COMSOL Multiphysics软件建立了液滴撞击表面的仿真模型。通过建立液滴撞击不同表面结构的壁面的仿真模型,比较了表面结构分别为三角形锯齿、方形锯齿和半圆形锯齿壁面的自清洁效果的差异;通过建立液滴撞击不同接触角的壁面的仿真模型,发现随着接触角的增加,液滴的铺展半径也逐渐减小,当接触角增加到大于150°（超疏水）后,液滴在碰撞过程中出现了弹跳现象;最后,通过建立液滴撞...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自然界中的超疏水现象在实际生产和生活中，透明超疏水涂层的使用场景非常广泛，比如对于一
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4两次连续复制和结合背部扩散光刻蚀的方法，制备出了聚二甲即硅氧烷透明超疏水表面，其透光率达到了94%。1.2.3纳米粒子自组装技术制备透明超疏水薄膜国内外研究现状该技术是利用纳米粒子在一定条件下可自发地组装出有序的结构来制备透明超疏水表面，常用的纳米粒子有TiO2、SiO2、ZnO等。Cao等[11]通过这个方法将聚苯乙烯和颗粒直径不大于100nm的SiO2颗粒混合，在550℃下经过4小时热处理以去除聚苯乙烯，然后用二甲基氯硅烷对表面进行修饰，得到了透明的超疏水薄膜，其接触角>160°，透光率>90%。Liang等[12]通过同样的方法将SiO2颗粒组装在了玻璃表面，再用低表面能的物质对表面进行修饰，制备出了透明的超疏水表面。Amigoni等[13]利用氨基对纳米SiO2粒子进行交替改性以及利用环氧对纳米SiO2粒子层进行改性处理，最终构筑了超疏水表面，当组装的层数逐渐增多时，其疏水性也随之提高，整个过程如图1-2所示。图1-2通过共价键层层自组装的构筑[13]1.2.4模板法制备透明超疏水薄膜国内外研究现状制备透明超疏水薄膜的另一种常用方法是模板法。Jin等[14]通过模板法制得了一种具有纳米管阵列结构的聚苯乙烯薄膜，其接触角可达162°。Sato研究小组[15]通过将SiO2离子和聚苯乙烯微球制成反蛋白型石晶体膜，然后对其表面用氟硅烷基团修饰，制得了超疏水表面，其接触角为155°。Xiu等[16]在正硅酸乙酯溶胶-凝胶过程中以氯化胆碱和尿素的混合液体作为非挥发性的液体模板，然后对其表面用含氟的低表面能物质全氟辛基硅烷修饰，制得了透明的
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5超疏水薄膜，其接触角为170°，透光度为90%。Sun等[17]等选择了荷叶为模板，然后采用提拉PDMS的方法制备了与荷叶具有相反表面结构的复制品，最后可以利用这个结构相反的模板制备出于荷叶正面表面结构相同的复制品，整个过程及结果如图1-3所示。图1-3模板法制备超疏水表面流程图解及SEM图：(a)荷叶，(b)PDMS复制品正面[17]1.2.5溶胶-凝胶法制备透明超疏水薄膜国内外研究现状前文提到，要想获得超疏水表面，通常有两个方法：一是在疏水的材料表面用以某种方法来获得微纳结构的粗糙度；二是在本身具有微纳结构的材料表面引入较低的官能团。目前，制备高透过率超疏水薄膜的较好的方法是溶胶-凝胶法，其有很多优点，如：操作温度低于一般玻璃的融融温度；实验中能够避免引入杂质使得样品能够保持纯度；更容易控制掺杂量；因为前驱体是在低温下混合的，因而反应能够在分子水平上达到高度均匀性[18]。溶胶-凝胶法的本质就是讲硅氧烷金属化合物进行水解得到羟基化合物，然后再经过缩聚反应形成溶胶，陈化后溶胶粒子缩聚并凝胶化，最后经过一定的特俗处理便可得到不同用途的涂层。Lin等[19]通过一步溶胶-凝胶法浸涂工艺，在玻璃上制备了透明防雾的超疏水表面，三氨丙基三乙氧基硅烷经过水解缩合反应是表面形成了一定的粗糙度，然后用十六烷基三乙氧基硅烷对表面进行修饰，共同作用形成了透明的超疏水表面，该表面的接触角大于160°，透光率达到了92.8%。Fan等[20]在实验中所用的硅源是正硅酸乙酯，但能够用来降低表面能的修饰物却是六甲基二硅氮烷，他们通过这两种主要材料制备了透明的超疏水涂层。Ruchi[21]用GPTMS和MTMS作为前驱体，先通过溶胶-凝胶法得到立体结构，再用短链含氟聚合物对其表面进行修饰，得到了?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超疏水自清洁涂料的研究与应用现状[J]. 黄启舒,许里杰. 化工新型材料. 2020(05)
[2]液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制[J]. 刘森云,沈一洲,朱春玲,陶杰,谢磊. 航空学报. 2017(02)
[3]不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟[J]. 冷梦尧,常士楠,丁亮. 化工学报. 2016(07)
[4]甲基三乙氧基硅烷对多孔二氧化硅反射膜结构和性能的影响（英文）[J]. 黄玉萍,吴春春,杨辉,阙永生,潘崇根. 硅酸盐学报. 2015(05)
[5]多功能单层二氧化硅增透膜的设计与制备[J]. 张欣向,林丽晓,苗霞,叶龙强,江波. 功能材料. 2014(23)
[6]碱/酸两步催化法制备耐候性SiO2增透膜的研究[J]. 业海平,张欣向,肖波,晏良宏,江波. 无机化学学报. 2011(05)
[7]疏水涂料的研究和应用[J]. 黄月文. 化学建材. 2008(01)
[8]从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J]. 江雷. 新材料产业. 2003(03)
博士论文
[1]超疏水、超双疏材料的制备与研究[D]. 郗金明.中国科学院研究生院（国家纳米科学中心） 2008
硕士论文
[1]液滴撞击碳纳米管阵列表面动态特性的实验与数值模拟研究[D]. 杨舒生.江苏大学 2018
[2]基于聚硅氧烷的防反射涂层的制备及其性能研究[D]. 查杰.华东理工大学 2014
本文编号：3398561
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自然界中的超疏水现象在实际生产和生活中，透明超疏水涂层的使用场景非常广泛，比如对于一
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4两次连续复制和结合背部扩散光刻蚀的方法，制备出了聚二甲即硅氧烷透明超疏水表面，其透光率达到了94%。1.2.3纳米粒子自组装技术制备透明超疏水薄膜国内外研究现状该技术是利用纳米粒子在一定条件下可自发地组装出有序的结构来制备透明超疏水表面，常用的纳米粒子有TiO2、SiO2、ZnO等。Cao等[11]通过这个方法将聚苯乙烯和颗粒直径不大于100nm的SiO2颗粒混合，在550℃下经过4小时热处理以去除聚苯乙烯，然后用二甲基氯硅烷对表面进行修饰，得到了透明的超疏水薄膜，其接触角>160°，透光率>90%。Liang等[12]通过同样的方法将SiO2颗粒组装在了玻璃表面，再用低表面能的物质对表面进行修饰，制备出了透明的超疏水表面。Amigoni等[13]利用氨基对纳米SiO2粒子进行交替改性以及利用环氧对纳米SiO2粒子层进行改性处理，最终构筑了超疏水表面，当组装的层数逐渐增多时，其疏水性也随之提高，整个过程如图1-2所示。图1-2通过共价键层层自组装的构筑[13]1.2.4模板法制备透明超疏水薄膜国内外研究现状制备透明超疏水薄膜的另一种常用方法是模板法。Jin等[14]通过模板法制得了一种具有纳米管阵列结构的聚苯乙烯薄膜，其接触角可达162°。Sato研究小组[15]通过将SiO2离子和聚苯乙烯微球制成反蛋白型石晶体膜，然后对其表面用氟硅烷基团修饰，制得了超疏水表面，其接触角为155°。Xiu等[16]在正硅酸乙酯溶胶-凝胶过程中以氯化胆碱和尿素的混合液体作为非挥发性的液体模板，然后对其表面用含氟的低表面能物质全氟辛基硅烷修饰，制得了透明的
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5超疏水薄膜，其接触角为170°，透光度为90%。Sun等[17]等选择了荷叶为模板，然后采用提拉PDMS的方法制备了与荷叶具有相反表面结构的复制品，最后可以利用这个结构相反的模板制备出于荷叶正面表面结构相同的复制品，整个过程及结果如图1-3所示。图1-3模板法制备超疏水表面流程图解及SEM图：(a)荷叶，(b)PDMS复制品正面[17]1.2.5溶胶-凝胶法制备透明超疏水薄膜国内外研究现状前文提到，要想获得超疏水表面，通常有两个方法：一是在疏水的材料表面用以某种方法来获得微纳结构的粗糙度；二是在本身具有微纳结构的材料表面引入较低的官能团。目前，制备高透过率超疏水薄膜的较好的方法是溶胶-凝胶法，其有很多优点，如：操作温度低于一般玻璃的融融温度；实验中能够避免引入杂质使得样品能够保持纯度；更容易控制掺杂量；因为前驱体是在低温下混合的，因而反应能够在分子水平上达到高度均匀性[18]。溶胶-凝胶法的本质就是讲硅氧烷金属化合物进行水解得到羟基化合物，然后再经过缩聚反应形成溶胶，陈化后溶胶粒子缩聚并凝胶化，最后经过一定的特俗处理便可得到不同用途的涂层。Lin等[19]通过一步溶胶-凝胶法浸涂工艺，在玻璃上制备了透明防雾的超疏水表面，三氨丙基三乙氧基硅烷经过水解缩合反应是表面形成了一定的粗糙度，然后用十六烷基三乙氧基硅烷对表面进行修饰，共同作用形成了透明的超疏水表面，该表面的接触角大于160°，透光率达到了92.8%。Fan等[20]在实验中所用的硅源是正硅酸乙酯，但能够用来降低表面能的修饰物却是六甲基二硅氮烷，他们通过这两种主要材料制备了透明的超疏水涂层。Ruchi[21]用GPTMS和MTMS作为前驱体，先通过溶胶-凝胶法得到立体结构，再用短链含氟聚合物对其表面进行修饰，得到了?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超疏水自清洁涂料的研究与应用现状[J]. 黄启舒,许里杰. 化工新型材料. 2020(05)
[2]液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制[J]. 刘森云,沈一洲,朱春玲,陶杰,谢磊. 航空学报. 2017(02)
[3]不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟[J]. 冷梦尧,常士楠,丁亮. 化工学报. 2016(07)
[4]甲基三乙氧基硅烷对多孔二氧化硅反射膜结构和性能的影响（英文）[J]. 黄玉萍,吴春春,杨辉,阙永生,潘崇根. 硅酸盐学报. 2015(05)
[5]多功能单层二氧化硅增透膜的设计与制备[J]. 张欣向,林丽晓,苗霞,叶龙强,江波. 功能材料. 2014(23)
[6]碱/酸两步催化法制备耐候性SiO2增透膜的研究[J]. 业海平,张欣向,肖波,晏良宏,江波. 无机化学学报. 2011(05)
[7]疏水涂料的研究和应用[J]. 黄月文. 化学建材. 2008(01)
[8]从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J]. 江雷. 新材料产业. 2003(03)
博士论文
[1]超疏水、超双疏材料的制备与研究[D]. 郗金明.中国科学院研究生院（国家纳米科学中心） 2008
硕士论文
[1]液滴撞击碳纳米管阵列表面动态特性的实验与数值模拟研究[D]. 杨舒生.江苏大学 2018
[2]基于聚硅氧烷的防反射涂层的制备及其性能研究[D]. 查杰.华东理工大学 2014
本文编号：3398561
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