溶胶凝胶法制备透明/增透减反的超疏水硅基纳米涂层及其性能研究

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超疏水材料由于其独特的表面性质,在自清洁、防雾、防冰、抗腐蚀、防水等领域有重大的研究价值,而透明/增透减反的超疏水薄膜在室外的太阳能电池表面、幕墙、电子屏、激光增幅器上的应用前景更是不透明涂层无法替代的。构成超疏水涂层的两个重要因素分别为一定的表面粗糙度和较低的表面能,对于疏水表面而言,粗糙度越高,疏水性能越强,但是透过率会降低,所以如何协调粗糙度与透明度之间的关系,是制备透明/增透减反的超疏水薄膜的关键所在。本文通过选取不同的硅源,制备了不同的透明/增透减反的超疏水薄膜,工作内容如下:1.以甲基三乙氧基硅烷(MTES)为硅源,乙醇为共溶剂,通过酸碱催化溶胶法制备了一种甲基封端的三维网络结构的聚硅氧烷薄膜。研究了MTES与共溶剂乙醇的摩尔比对薄膜性能的影响,当共溶剂含量较小时,反应由水解和缩合反应占主导,溶剂的分散效果不明显,最终生成多孔聚硅氧烷薄膜,显示出良好的超疏水性能;反之,当乙醇含量较大时,分散效果占主导,导致缩合反应难以进行,最终无法生成三维网络结构的聚硅氧烷薄膜,疏水角下降到112°。氨水在整个缩合反应中起着重要的作用,当氨水的浓度过小,不能有效地完成缩合反应,无法形成合适的孔洞,表面没有获得超疏水性。随着氨水用量的增加,制备的聚硅氧烷薄膜具有一定的多孔性,并拥有良好的超疏水性能。但是当氨水浓度过大,会使得缩聚急剧加快,最终生成微球状产物,表面润湿性转变为亲水性,静态接触角值降低到79°。通过一系列的实验获得了较佳的工艺条件,制备了疏水角为167°,平均透过率为89.35%(380-800 nm),相比于基底所用的普通硼硅酸盐玻璃的90.09%的平均透过率,部分波段甚至有微弱的增透效果,并且具有良好的自清洁功能和对部分油污的油水分离能力。2.在不同的温度下对所制备的聚硅氧烷薄膜进行煅烧,获得了疏水角与煅烧温度之间的变化规律,证明了三维网络结构对表面超疏水性能的重要作用。所制备的聚硅氧烷薄膜在500℃下煅烧30 min时,仍能保持其良好的超疏水性能;在550℃下煅烧30 min,虽然表面基团和结构均遭到破坏,但是没有被完全破坏的结构仍能提供148°的静态水接触角,并且平均透过率上升到91.13%(380-800 nm),相比于裸的硼硅酸盐玻璃,提高了约1.04%;当温度上升到600℃,薄膜转变为超亲水状态,随着煅烧温度的不断增加,薄膜的透过率也在不断增加,600℃煅烧后可到达92.07%,相比于裸的硼硅酸盐玻璃,提高了约1.98%。3.为了进一步提高薄膜的透过率并维持良好的超疏水性能,选择正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源,通过溶胶凝胶法制备出直径约20 nm左右的SiO2超亲水增透减反薄膜,该工艺省略了老化步骤,极大地缩短了工艺时间,并且对两种常见的玻璃均具有良好的增透效果,在380-800 nm波段范围内,对普通硅酸盐玻璃的平均透过率可提升3.14%,达到93.25%;对普通石英玻璃可提升2.20%,达到95.39%。使用不含氟的六甲基二硅氮烷(HMDS)对其进行改性,获得疏水角达到153°,并且对两种常见的玻璃都具有良好增透效果的SiO2超疏水增透减反薄膜,对普通硅酸盐玻璃可提升2.49%,达到92.58%;对普通石英玻璃可提升3.13%,达到96.20%。
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