水热条件下SiO2超疏水复合薄膜的制备和表征

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由于自然界中的荷叶效用,超疏水现象开始引起人们的广泛关注。超疏水薄膜有很好的自清洁能力,当水滴落在这种表面上,在滚落的过程中就可将表面的污物带走。所以超疏水薄膜在防污染,防腐,抗氧化等方面有很广泛的应用前景。总结近几年来超疏水表面的理论基础、各种制备方法以及现存的缺陷,以此为基础提出来了关于超疏水薄膜制备的新设想。对于正硅酸乙酯水解缩合过程的理论研究已经很成熟了,但在水热条件下正硅酸乙酯的水解缩合过程还没人进行研究,通过调节水热条件下反应物的加入量,催化剂的种类和加入量及水热反应条件等,测得二氧化硅溶胶凝胶时间,粘度和可溶硅的变化,分析正硅酸乙酯水解缩合过程。将二氧化硅溶胶和氯化铝溶液常温下混合,在水热条件下反应制备二氧化硅/氧化铝复合薄膜,调节二氧化硅溶胶和氯化铝溶液的体积比可以改变薄膜表面的颗粒组成密度,通过光学显微镜可以看到表面颗粒尺寸在0.5μm~1.5μm,通过原子力显微镜观测到颗粒表面是由紧密排列的柱状结构组成,柱状结构的直径为0.2nm~4.5nm,高度为100nm左右,这种由纳米和微米组成的双重粗糙结构在经过三甲基氯硅烷修饰后接触角可达152.88°。在玻璃上镀上这种SiO2/Al2O3复合超疏水薄膜后,它的透光率改变很小,所以这种复合超疏水薄膜可以用在各种窗玻璃上,既有自清洁的能力,也不会影响人们的视线。将氯化锌溶液和二氧化硅溶胶混合,通过改变二氧化硅溶胶中TEOS的加入量,制得各种形貌的SiO2/ZnO复合薄膜,并且当TEOS的加入量为1mL时,水热200℃条件,填充量为60%时反应10h,得到了类似荷叶表面的双重粗糙结构,在微米级的突起上还存在一些小的纳米级突起,大突起的直径为0.2μm~0.5μm,高度大约为30nm~70nm,纳米级粗糙结构直径在10nm~30nm之间,高度为3nm~10nm。将制得薄膜通过TMCS气相化学修饰后,复合薄膜与水的接触角高达153.8°。水滴和薄膜表面符合Cassie接触模型,计算得当复合薄膜接触角为153.8°时,固体表面仅占整个接触面积的9.73%,气体要占90.27%。以上方法制备的超疏水薄膜都是由微纳米双重粗糙结构相结合得到的,验证了多级粗糙结构在制备超疏水薄膜方面的优势,这种多级结构更有利于对气体的包覆,在表面形成气垫,使薄膜与水滴之间形成点对点接触,增大接触角。通过水热法制备的薄膜依然要经过低表面能物质三甲基氯硅烷的修饰才能达到超疏水,但是经修饰后薄膜的耐候性比较差,暴露在自然环境中的SiO2/Al2O3复合薄膜两个周后就失去超疏水性能,薄膜与水的接触角就变为147.7°,SiO2/ZnO复合薄膜在第二周接触角变为148.4°。
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