溶胶-凝胶法制备多功能超疏水涂层

摘要

在自然界中，超疏水现象随处可见。其中，“荷叶效应”最为典型，有着广泛的应用前景，例如防污、减阻、非润湿织物、挡风玻璃、油水分离等。众所周知，荷叶的超疏水性是依靠表面粗糙度与低表面能共同起作用。在过去的十年中，人们为了模仿荷叶表面形态，研究了一些人工超疏水涂层。尽管超疏水表面由于潜在的实际应用价值倍受青睐，但目前超疏水表面在研究与实际应用上存在着几个关键的问题:
　　(1)成本低廉、操作简单可控且适合大面积制备超疏水表面的技术仍未得到解决;
　　(2)对自清洁功能的表面，超疏水表面的耐久性、耐磨性以及机械强度等依然面临着巨大的挑战;
　　(3)单一的超疏水表面已经无法满足人们的要求，功能性超疏水表面的研究发展空间很大，如透明表面，导电表面、以及智能传感表面等等。
　　溶胶-凝胶法作为制备超疏水涂层技术中的一种，被广泛用来在各种基材上制备薄膜。主要是溶胶-凝胶技术有一些独特的优势，比如在低温下合成以及能够大面积制备。因此本文采用溶胶-凝胶技术，探索出一种制备多功能超疏水涂层的方法。主要研究内容及结果如下:
　　(1)具有导电功能的超疏水涂层的制备与性能调控:采用溶胶-凝胶法制得氟化硅溶胶，然后与浓硝酸高温处理后的石墨烯通过氢键组合成了稳定的石墨烯/硅烷溶液，喷涂到基底后表现出较好的超疏水性。为了进一步增加超疏水性能，在混合溶液中引入适量的SiO2纳米颗粒，得到的涂层接触角增到159.4°，滚动角减小到3°。同时涂层还具有良好的导电性，将涂层放入通电的回路中，发光二极管能够发光证明了这一点。在氟化溶胶的帮助下，利用石墨烯实现了导电超疏水涂层。
　　(2)适用于多种恶劣环境的超疏水涂层的制备与性能调控:通过喷涂低温溶胶-凝胶制备的改性纳米粒子悬浮液来制备超疏水涂层。该超疏水涂层具有159°的接触角和小于3°的滚动角，能够轻易地去除涂层上的污染物，实现自清洁功能，并具有一定的透明度。此外，超疏水涂层即使在冷冻或高温以及不同的pH溶液等特殊的环境依旧保持长期的稳定性。另一方面，涂层也能够抵御太阳光的照射。同时，涂层的超疏水性在锋利的刀片划削数次后仍然存在，功能完好。因此，低成本、大面积、长期稳定且具有自清洁性能的超疏水涂层能够适用于各种实际应用。

目录

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摘要

专用术语的注释表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 表面润湿的理论基础

1．2．1 杨氏方程

1．2．2 Wenzel模型

1．2．3 Cassie-Baxter模型

1．2．4 Wenzel模型和Cassie-Baxter模型之间的转化

1．2．5 滚动角

1．2．6 接触角滞后理论

1．3 超疏水表面的研究进展

1．3．1 等离子体刻蚀法

1．3．2 气相沉积法

1．3．3 溶胶-凝胶法

1．3．4 模板法

1．3．5 层层自组装法

1．3．6 微相分离法

1．3．7 其他方法

1．4 选题意义和课题思路

1．4．1 选题意义

1．4．2 课题思路

第二章 导电超疏水涂层的制备及表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要原料和试剂

2．2．2 主要制备及分析表征仪器

2．2．3 导电超疏水涂层的制备

2．3 结果与分析

2．3．1 SEM表征及分析

2．3．2 FT-IR和XPS表征分析

2．3．3 光学特性分析

2．3．4 导电性分析

2．3．5 石墨烯含量对涂层性质的影响

2．4 本章小结

第三章 高稳定性超疏水涂层的制备及表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要原料和试剂

3．2．2 主要制备及分析表征仪器

3．2．3 高稳定性超疏水涂层的制备

3．3 结果与分析

3．3．1 SEM表征及分析

3．3．2 AFM及XPS表征及分析

3．3．3 光学特性及自清洁功能分析

3．3．4 KH-560的含量对涂层性质的影响

3．3．5 超疏水涂层的稳定性分析

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 问题与展望

4．2．1 研究中存在的问题

4．2．2 多功能超疏水涂层的展望

致谢

参考文献

作者简介