坚固透明超疏水涂层的制备及其防尘性能研究

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超疏水材料由于其特殊浸润性引起人们的广泛关注,在防尘自清洁、防冰防雾、防腐蚀、油水分离等领域都展示出广阔的应用前景。随着研究和应用的深入,人们进一步对具有独特光学特性的透明超疏水材料产生了新的需求。人工透明超疏水表面的构筑中,目标表面的低表面能和在目标表面上构筑精巧微观结构是实现表面透明和超疏水的两大关键因素。尽管已经取得了一些进展,但是目前透明超疏水材料在耐久性方面还存在诸多问题,例如,容易被机械外力破坏、极端环境下表面的超疏水性质不稳定以及老化等问题,限制了透明超疏水涂层技术的大范围应用。针对上述问题,本论文通过对材料表面构筑微观结构和功能化,设计制备了一系列的透明超疏水表面,并通过SEM、EDS、紫外可见分光光度计、接触角、耐久性、防尘等测试表征手段对其进行表征。具体工作如下:(1)以玻璃板为基底,通过喷涂的方法将疏水Si O2纳米粒子修饰到基底上,随着乙醇溶剂的蒸发,Si O2纳米颗粒可以通过分子间作用力与其他纳米粒子以及基底表面结合在一起,获得纳米多孔结构,后续通过气相沉积法氟化进一步降低涂层的表面自由能。纳米多孔结构有利于降低对光的散射,赋予涂层很高的透明度。经实验探索,喷涂次数为5次时透光率在82%以上,且涂层的接触角在153o左右,制备的透明超疏水表面具有优异的拒水性能,能够有效去除灰尘。喷涂制备方法适用于大面积应用,具有较强的应用价值。(2)为进一步增加上述透明超疏水涂层的稳定性,通过热处理和喷涂相结合的方法,在玻璃基底上制备由Si O2纳米颗粒和PDMS微粒(MPs)组成的微纳复合结构涂层。首先对PDMS热处理使其蒸发以在玻璃上形成均匀的微米结构,然后继续喷涂Si O2分散液和氟化降低涂层的表面自由能。所得涂层的水接触角高达155o,对光的透过率在70%以上,并且具有优异的防尘性能,除尘效率达到93.63%。涂层还具有良好的机械稳定性,能够经受300 g沙粒冲击,接触角仍在150o以上,维持超疏水平。(3)以上研究发现,PDMS微米结构较好地提高了透明超疏水涂层的耐久性,但同时由于PDMS对涂层厚度的影响,超疏水涂层透明度稍有降低,为较好地协同坚固透明超疏水涂层在硅基太阳能电池表面防尘的应用,利用化学腐蚀法在硅片表面构筑微米量级金字塔阵列替代PDMS微米层,继续结合喷涂的方式在阵列间隙填充低表面能的Si O2纳米颗粒,后经气相沉积法氟化制备超疏水表面。金字塔阵列具有一定的机械稳定性,能够抵抗外界风沙的摩擦,用微结构来保护纳米粗糙结构可以提高超疏水表面的机械稳定性。最终制备的超疏水表面在空气中的水接触角在155o左右,除尘效率在98%以上,具有优异的疏水性能和防尘性能,使用p H范围在3-14的溶液测量表面的接触角,均在150o以上,表现出优异的化学稳定性,经200 g沙粒摩擦后依然保持超疏水性。与普通表面相比,处理后的硅片表面的反射率大幅降低,该研究为超疏水涂层应用于硅基太阳能电池表面防尘提供了新思路。
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