烷基化超疏水硅溶胶的制备及应用

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超疏水表面指的是材料表面具有优异的疏水性能,水滴在材料表面的接触角大于150°。超疏水材料在防雾防结冰、防污自清洁、金属防腐蚀、抗菌材料、油-水分离等领域具有潜在的应用价值。表面具有较低的表面能和适宜的粗糙度是构建超疏水表面的条件。本文采用溶胶-凝胶法制备了单分散、稳定性良好的纯硅溶胶,并用改性剂十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)对纯硅溶胶进行化学修饰,成功制备了氟化超疏水疏油硅溶胶。将环氧树脂和氟化硅溶胶进行共混,制备了有机-无机复合超疏水疏油涂层,并将其用作金属材料的防腐涂层。另以十二烷基三乙氧基硅烷(DTMS)为改性剂,对纯硅溶胶进行表面改性,成功制备了超疏水亲油十二烷基硅溶胶。以KH560作为界面改性偶联剂,T-31(酚醛胺)为固化剂,制备了十二烷基硅溶胶/KH560/T-31复合涂层。经十二烷基硅溶胶/KH560/T-31涂层处理的PET纤维织物可用于油水分离。本文工作主要分以下三个部分:1、单分散纯硅溶胶的制备。以四乙氧基硅烷(TEOS)为原料,醇为溶剂、水为水解性剂、在碱性环境下,通过凝胶-溶胶(Sol-gel)反应制备硅溶胶。考察了溶剂类型、催化剂、反应温度及反应时间等因素对硅溶胶粒径的影响。结果发现,以乙醇为溶剂,氨水作为催化剂可以制备单分散与稳定的硅溶胶。制备单分散稳定硅溶胶的最佳配方,质量比为去离子水:无水乙醇:TEOS:氨水(1 mol/L)=2.0:20.0:2.0:0.3,在50℃温度下反应4 h。2、超疏水疏油氟化硅溶胶的制备及应用。以单分散性硅溶胶为前驱体,十七氟癸基三甲氧基硅烷为改性剂,在球形硅溶胶表面接枝氟化烷基,制备氟化超疏水疏油硅溶胶。实验结果表明,最佳制备条件为:改性剂十七氟癸基三甲氧基硅烷的浓度为2.5 wt.%,纯硅溶胶(5.0 wt.%)为96.5 wt.%,催化剂氨水(1 mol/L)为1.0 wt.%。经XPS分析,氟元素在氟化硅溶胶表面的原子率百分数为32.4%。经SEM观察氟化硅溶胶为球形结构,具有微乳突的粗糙表面。通过TEM观测,发现氟化硅溶胶为表面含有约10 nm厚有机层的核-壳结构纳米颗粒。经接触角分析仪对涂层进行润湿行为分析,氟化硅溶胶涂层水滴接触角为161°,十六烷液滴接触角为156°,水滴在氟化硅溶胶涂层的滚动角为1.2°,迟滞角为0.2°,十六烷液滴在氟化硅溶胶涂层表面的滚动角为2.1°,迟滞角为0.8°,氟化硅溶胶涂层固体表面具有优异的疏水疏油性能。将环氧树脂溶液和氟化硅溶胶进行共混,以T-31为固化剂,制备了环氧树脂/氟化硅溶胶复合涂料,将其涂覆在马口铁上作为防腐涂层,并将涂覆环氧树脂/氟化硅溶胶复合涂层的马口铁进行电化学极化曲线测试,结果表明环氧树脂/氟化硅溶胶复合涂层具有良好的抗腐蚀性能。3、超疏水亲油十二烷基硅溶胶的制备及应用。以十二烷基三乙氧基硅烷(DTMS)为改性剂对球形硅溶胶进行表面修饰,成功制备了超疏水亲油十二烷基硅溶胶。实验结果表明,用纯硅溶胶制备超疏水亲油十二烷基硅溶胶的最佳配方为:改性剂DTMS的浓度为3.0 wt.%,无水乙醇20.0 g,去离子水2.0 g,纯硅溶胶(5 wt.%)20.0g,NH3·H2O(28.0 wt.%)1.0 g。经热重测试结果分析,十二烷基链在球形硅溶胶表面的接枝率为65.8%。经SEM和TEM观察,改性后的硅溶胶为具有微乳突状粗糙结构的球形颗粒。通过对十二烷基硅溶胶涂层静态液滴接触角测试,结果表明,水滴接触角为158°,十六烷液滴接触角为9°,水滴滚动角为0.95°,说明该涂层对水具有较低的粘附力和超疏水亲油功能。以KH560作为界面改性偶联剂,T-31为固化剂,制备了十二烷基硅溶胶/KH560/T-31复合涂层。涂布十二烷基硅溶胶/KH560/T-31复合涂层的PET纤维织物可以经多次循环油水分离实验。
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