适用于玻璃基底的透明超疏水功能涂层的制备及其性能研究

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上世纪七十年代德国植物分类学家威廉·巴特罗特首先发现了荷叶效应,荷叶效应主要源于荷叶表面存在一层天然的蜡质超疏水薄膜,这使得水滴在荷叶上汇集成股流下,顺势可带走荷叶表面的脏污,这就是荷叶效应,据此威廉·巴特罗特教授发明了自清洁技术。自此以后众多科研工作者对仿生超疏水材料的研究颇感兴趣,随着研究的深入,超疏水被定义为水滴在表面呈球状,接触角大于150°,滚动角小于10°的表面现象。而获取这样的超疏水性能主要由表面结构和化学性质所决定,目前制备超疏水表面的途径通常是通过构建材料表面粗糙度再利用低表面能物质进行修饰。超疏水材料可广泛的应用于各种领域,随着新能源的发展如火如荼,太阳能电池光电转换技术的应用扩大,相应的透明超疏水材料得到较大发展,它可应用于光伏板的自清洁。不仅如此它还可进一步应用于建筑玻璃幕墙、汽车玻璃、光学镜头等领域,这都归因于其有着优异的自清洁性能。众所周知,透明超疏水材料的表面粗糙度和透明性是一对竞争性质,增加表面的粗糙度能有效改善表面的疏水性,但同时也会增加光的散射从而不利于表面透明度的提高,因此需要在两种性能之间权衡最佳平衡点。而高透超疏水材料的发展还存在制备过程成复杂、成本高昂、耐用性差等难点问题。以上两点问题的研究价值重大,意义深远,众多科研人员也在不停地探索研究之中。本文首先对超疏水基本理论模型作了系统阐述,其次详细介绍了透明超疏水涂层制备过程中透明性和稳定性的构建原理,并综述了近期制备透明超疏水涂层的常见方法。在此基础上,我们在透明超疏水薄膜研究工作中的内容主要如下:(1)采用一步碱催化法获取二氧化硅(SiO2)溶胶凝胶,制备了粒径小于50 nm的SiO2纳米粒子,利用六甲基二硅胺烷(HMDS)进一步水热改性得到疏水纳米SiO2粒子。采用甲基三乙氧基硅烷(MTES)进行酸碱两步法获取聚硅氧烷(PMS)溶胶,探究了单因变量NH3·H2O对构建交联网络结构产生的变化所带来的透过率变化。采取疏水SiO2纳米粒子共混PMS溶胶的办法填充交联网格达到进一步提高透过率的目的。(2)针对薄膜的稳定性问题,我们采用硅烷偶联剂(KH-560)制备成前驱体溶液,在玻璃基板上旋涂前驱体再高温处理得到抗反射超亲水涂层。在此超亲水涂层上,我们进行了表面水热化学改性得到了不同效果的涂层。基于此,我们转换思路将KH-560作为中间连接层,利用KH-560环氧基开环反应生成羟基同SiO2实现化学键结合,再通过高温退火使偶联剂-OCH3与玻璃表面的-OH形成化学键来间接达到SiO2和玻璃基材的强有力结合,利用简单的蒸镀形式采用十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)进行表面改性获取超疏水性能,为了不降低透过率,引入一种改性剂A在薄膜表面构建特殊微纳结构使表面透过率改善。我们对基材做不同的预活化处理,处理的目的在于使玻璃表面含有大量的羟基,使硅烷偶联剂进一步同玻璃基材表面结合。我们采取了化学法强碱活化、UV处理活化、原子层沉积(ALD)沉积氧化物辅助活化三种活化方式进行处理,最终得到不同效果的超疏水薄膜。
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