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有机改性纳米SiO_2超疏水膜的制备、结构与性能研究

作　者: 胡小娟
导　师: 罗远芳
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料学
关键词: 超疏水膜 溶胶-凝胶法 纳米二氧化硅 有机硅 接触角
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


近几年来，通过在固体表面修饰低表面能物质，或者在表面构建微结构制备与水的接触角大于150°的超疏水表面因其广泛的应用和诱人的前景引起了各国学者的极大关注。目前，己经制备出了许多人工超疏水表面。主要采用的方法有：模板法、激光或等离子体刻蚀法、物理或化学气相沉积法、溶胶一凝胶法、静电纺纱法等。然而，这些方法由于工艺的限制，如制备技术上缺乏大规模制备的操作性，制备条件苛刻，成本昂贵等原因使该涂膜难以得到普遍应用。因此探索工艺简单、成本低廉、并能实际应用于大面积的超疏水表面的制备方法有着重要的理论和实践的意义。本论文先利用溶胶-凝胶法制备了单分散的纳米二氧化硅（SiO2）溶胶，再采用低表面能的有机硅，包括含氢量为0.08%和0.386%的含氢硅油（PMHS）、羟基硅油（HTO）、羟基氟硅油（HTFO）对纳米SiO2粒子进行表面交联和疏水化处理，然后在玻璃基片上提拉成膜，并加热凝胶化，制备出了表面具有微纳米双重粗糙结构的超疏水纳米SiO2涂膜。采用接触角测定仪、红外光谱、X射线表面能谱、透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜等手段对该超疏水膜的制备条件、结构与性能进行了研究。结果表明，四种有机硅改性纳米二氧化硅涂膜均能达到超疏水水平。其中，用PMHS（含氢量为0.386%）改性的SiO2涂膜超疏水效果最好，对制备的涂膜在170℃进行热处理3h后，接触角最高可达173°，滚动角低至0.8°，且该超疏水涂膜表现出优异的耐化学溶剂和耐环境老化性能。通过对改性前后的SiO2溶胶和有机硅-纳米SiO2超疏水膜的结构形态研究发现，有机硅与SiO2表面产生了化学结合，形成了有机硅-SiO2杂化交联材料；涂膜表面被低表面能的有机硅包覆，同时较均匀地分布着许多粒径为50-400nm的微米-纳米双重粗糙度的微凸体，这是产生优异的超疏水性能的主要原因。由膜表面结构和粗糙度对润湿性能影响的实验结果，结合Cassie模型的理论分析可知，硅油改性交联二氧化硅粒子组成的涂膜表面构成了符合Cassie模型的非均相界面。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-31
  1.1 关于超疏水表面研究的理论发展  11-18
    1.1.1 静态表征- 接触角  11-12
    1.1.2 动态表征- 滚动角、前进角、后退角和接触角滞后  12-16
    1.1.3 表面粗糙度与表面自由能  16-18
  1.2 超疏水表面的制备方法  18-28
    1.2.1 模板法  19-21
    1.2.2 相分离技术  21-22
    1.2.3 电化学沉积  22-23
    1.2.4 电纺丝  23-25
    1.2.5 可升华物质微粒成孔法  25
    1.2.6 溶胶- 凝胶法  25-26
    1.2.7 气相沉积法  26-27
    1.2.8 其他方法  27-28
  1.3 超疏水表面的应用  28-29
  1.4 本论文研究的目的意义、研究的主要内容与创新之处  29-31
    1.4.1 本论文研究的目的意义  29
    1.4.2 本论文研究的主要内容  29-30
    1.4.3 本论文的创新之处  30-31
第二章 单分散纳米二氧化硅的制备及结构表征  31-41
  2.1 引言  31-32
  2.2 实验部分  32-33
    2.2.1 实验所用原材料  32
    2.2.2 不同粒径单分散纳米SiO_2的制备  32
    2.2.3 分析与测试  32-33
  2.3 结果与讨论  33-39
    2.3.1 反应条件对形成纳米二氧化硅粒径的影响  33-37
    2.3.2 二氧化硅纳米粒子的形貌  37-38
    2.3.3 二氧化硅的傅里叶红外光谱（FTIR ）分析  38-39
    2.3.4 纳米二氧化硅的X 射线衍射（XRD ）分析  39
  2.4 本章小结  39-41
第三章 有机改性纳米SiO_2 超疏水膜的制备、性能及表面微观结构的研究  41-81
  3.1 引言  41
  3.2 实验原材料及实验仪器  41-46
    3.2.1 实验所用原材料  41-42
    3.2.2 不同粒径单分散SiO_2 的制备  42
    3.2.3 纳米SiO_2粒子的表面改性  42-43
    3.2.4 涂膜的制备  43-44
    3.2.5 分析与测试  44-46
  3.3 结果与讨论  46-79
    3.3.1 有机改性SiO_2涂膜的表面性能  46-53
    3.3.2 有机改性纳米二氧化硅超疏水涂膜的浸润性  53-58
    3.3.3 反应条件对涂膜疏水性能的影响  58-67
    3.3.4 超疏水机理研究  67-74
    3.3.5 超疏水涂膜的耐化学溶剂性能和耐环境老化性能  74-79
  3.4 本章小结  79-81
结论  81-82
参考文献  82-90
在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文  90-91
致谢  91

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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