超疏水SiO2纳米复合涂层的制备与性能研究

摘要

浸润性是固体表面的一个重要性质，其主要由固体表面化学组成和表面显微结构共同决定。近年来，受“荷叶效应”的启发，与水的接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水表面引起了广泛的关注。本论文中我们综述了超疏水表面的研究进展，在现有文献的基础上提出了本文的研究思路，利用TEOS水解制备氧化硅溶胶后直接对溶胶中的亲水基团进行取代，既避免了用高成本、低表面能的氟类物质对表面进行修饰，而且实验中没有用到价格昂贵的实验设备，实验流程简单，实验过程可控。论文的主要工作和创新点如下:
　　(1)以正硅酸乙酯为前驱体水解制备SiO2溶胶，利用聚甲基丙烯酸甲酯取代酸溶胶中的亲水基团-OH，引入疏水的-CH3基团，加入有机硅树脂防止膜层开裂，制得静态接触角大于90°的疏水膜层。与单分散的SiO2膜层相比不仅解决了膜层开裂的问题，还将表面的纳米颗粒交联在一起形成有一定粗糙度的微纳结构，使膜层具有较高的接触角。
　　(2)分别以盐酸和氨水为催化剂水解制得SiO2膜层，研究不同催化剂所制备的SiO2的表面形貌、粒径和非晶形态的不同;再以三甲基氯硅烷分别对两种催化剂所得SiO2溶胶进行-OH取代。实验证明，当以盐酸为催化剂时，水解所得SiO2颗粒粒径较小，用TMCS进行取代时极易交联呈现出光滑平整的表面，表面虽然覆盖有低表面能的官能团，但是粗糙度很小，水滴的接触角也较小，所制备膜层疏水性能很差。当以氨水为催化剂时，所制得SiO2颗粒交联在一起形成网络结构，用TMCS进行取代时，在膜层表面形成微-纳的双阶结构，我们可以得到疏水性能很好的超疏水表面。用TMCS分别对盐酸和氨水两种不同催化条件下水解所制得的二氧化硅溶胶进行羟基取代后所形成的膜层，热处理温度不得超过250℃，否则极易引起疏水基团-CH3的分解，在周围有水环境中，疏水的甲基基团又会转变成亲水的-OH基团，影响膜层的疏水性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超疏水膜的概述

1．2 超疏水表面的基础理论

1．2．1 接触角Young’s方程

1．2．2 Wenzel接触模型

1．2．3 Cassie-Baxter接触模型

1．2．4 滚动角理论

1．3 天然的超疏水生物材料

1．3．1 植物表面超疏水性

1．3．2 动物器官表面超疏水性

1．4 超疏水材料的制备技术

1．4．1 溶胶-凝胶法

1．4．2 刻蚀法

1．4．3 电泳沉积法

1．4．4 气相沉积法

1．4．5 层层自组装技术

1．4．6 纳米阵列法

1．4．7 喷涂法

1．4．8 静电纺丝法

1．4．9 聚电解质交替沉积法

1．5 超疏水材料的应用前景和发展方向

1．5．1 超疏水材料的应用前景

1．5．2 超疏水材料的发展方向

1．6 超疏水材料研究中所存在的问题

1．7 超疏水SiO2膜的研究进展

1．8 本论文的研究内容

第2章 实验材料及实验方案

2．1 实验原料和实验设备

2．1．1 实验主要原料

2．1．2 实验主要仪器

2．2 实验原理

2．2．1 正硅酸乙酯制备溶胶-凝胶的反应机理

2．2．2 酸催化条件下TEOS水解反应机理

2．2．3 碱催化条件下TEOS水解反应机理

2．2．4 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)取代-OH的反应机理

2．2．5 三甲基氯硅烷(TMCS)取代-OH的反应机理

2．3 超疏水薄膜的制备

2．3．1 载玻片的清洗

2．3．2 制样方法

2．3．3 表征方法

第3章 SiO2／聚甲基丙烯酸甲酯／有机硅树脂复合超疏水涂层的制备

3．1 实验方法

3．1．1 实验流程图

3．1．2 溶胶-凝胶的制备

3．1．3 样品的烘干与热处理

3．1．4 表征方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 液滴在该涂层上的接触角表征

3．2．2 SiO2／聚甲基丙烯酸甲酯／有机硅树脂膜的形貌观察

3．2．3 膜层的红外光谱(FT-IR)分析

3．3 小结

第4章 三甲基氯硅烷取代羟基制备超疏水涂层

4．1 实验方法

4．1．1 实验流程图

4．1．2 溶胶-凝胶的制备

4．1．3 膜层的制备

4．1．4 膜层的烘干与热处理

4．1．5 表征方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 不同催化条件下所制得SiO2膜层的SEM表征

4．2．2 不同催化条件下所制得SiO2膜层的XRD表征

4．2．3 不同催化条件下所制得SiO2膜层的粒度表征

4．2．4 以HCl为催化剂、经TMCS修饰后所制得SiO2膜层形貌观察

4．2．5 以NH3·H2O为催化剂、经TMCS修饰后所制得SiO2膜层的形貌观察

4．3 小结

结论

参考文献

致谢