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改性纳米二氧化硅溶胶的制备及其在透明超疏水性涂层中的应用研究

张云侨  
【摘要】:根据仿生学原理,人们通过构造层状微-纳米结构的粗糙表面,或者调节化学成分降低表面能的形式,制造出各种各样的超疏水表面。水的接触角大于150°的表面称为超疏水表面。具有高透明性的透明超疏水表面是特殊的超疏水表面之一,它不仅可以用于汽车后视镜,飞机挡风玻璃和建筑幕墙玻璃,还可以用于太阳能电池板。由于其巨大的应用潜力,透明超疏水涂层成为近年来人们的研究热点。在本研究中,尝试在表面粗糙度和光学透过率之间取得合适的平衡点,探索如何在玻璃基底上制备透明超疏水性涂层的方法。纳米二氧化硅溶胶是一种表面存在大量羟基的纳米粒子,具有制备成本低廉,粒径及分布可控的特点。当二氧化硅粒子的粒径小于或接近可见光波长时,涂层表现出良好的可见光透过性。由于二氧化硅表面大量羟基的存在,可对其进行烷基化改性,得到小粒径的单分散改性纳米二氧化硅溶胶,可用于制备透明超疏水涂层。因此本文的主要研究内容如下:(1)以正硅酸乙酯作为水解前驱体,利用溶胶-凝胶法制备出不同粒径的纳米二氧化硅溶胶,再结合旋涂技术和紫外光固化技术,成功地在玻璃基底上制备了具有微-纳粗糙的三维立体结构的纳米二氧化硅涂层。针对其表面-OH的存在和孔隙度较大,疏水性能与透明性都不够好,因此对其使用性能作了进一步的改善,使其可见光透过率到达90%,水的接触角达到145°,滚动角约为7.6°。(2)在小粒径单分散纳米二氧化硅溶胶的基础上,以不同种类硅烷作为改性剂,利用原位改性的方法制备出不同改性剂改性的纳米二氧化硅溶胶,再结合旋涂技术和紫外光固化技术,成功地在玻璃基底上制备了不同的改性纳米二氧化硅涂层。其中,由于改性剂二乙烯基四甲基二硅氮烷兼具其他改性剂的特点,其改性后的纳米二氧化硅涂层同时具有微-纳粗糙的三维立体结构、低表面能和孔隙度较小的优点,因此使得该涂层兼具了较好的疏水性和优良的透明性。(3)通过使用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TGA)、紫外-可见光(UV-vis)分光光度计、激光粒度分析仪、接触角仪等手段表征了纳米二氧化硅涂层的各种结构与性能,并对测试结果进行系统地分析,二乙烯基四甲基二硅氮烷改性的纳米二氧化硅涂层可见光透过率可达90%,水的接触角可达145°,滚动角约为7.6°,相比于未改性的纳米二氧化硅涂层具有显著提高。


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