超疏水性氣凝膠粉體涂層制備與性能檢測,應(yīng)用化學(xué)論文

超疏水性氣凝膠粉體涂層制備與性能檢測,應(yīng)用化學(xué)論文超疏水材料是指這種材料的外表對(duì)水的靜態(tài)接觸角在150以上，對(duì)水為絕對(duì)疏水，且滾動(dòng)角20[1].接觸角越大，外表上的水珠就越圓，當(dāng)接觸角到達(dá)90以上就稱為疏水性外表，當(dāng)接觸角到達(dá)150時(shí)，水珠就能在外表上滾動(dòng)，進(jìn)而到達(dá)超疏水的效果〔也稱為荷葉效應(yīng)〕[2].根據(jù)Cassie-Baxiter[3]提出的狀態(tài)理論，超疏水狀態(tài)必須知足兩個(gè)條件：〔1〕材料界面為疏水性外表〔即接觸角90〔2〕材料的外表必須有一定粗糙度微構(gòu)造，以托起液滴，阻止因液滴接觸到材料外表的底部而降低滾動(dòng)角。超疏水材料在很多領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價(jià)值，主要利用其自清潔性、防腐蝕性和超疏水性等獨(dú)特的外表性質(zhì)[4].超疏水性涂層的研究始于1950年[4],當(dāng)前超疏水性外表的制備方式方法主要有下面兩種途徑：〔1〕直接采用疏水性的材料，并用物理或化學(xué)方式方法改變材料外表的粗糙度以及外表形貌[5];〔2〕在粗糙的材料外表上進(jìn)行疏水改性或者在其外表覆蓋1層低外表能的疏水性物質(zhì)[6].超疏水涂層制備方式方法主要有：升華物質(zhì)微粒成孔法[7]、化學(xué)氣相沉積法[8]、離子體處理法[9]、溶膠-凝膠法[10-11]等。本文所用的氣凝膠是以水玻璃為原料，采用微乳液法在常壓枯燥工藝下制得的粉體氣凝膠，經(jīng)三甲基氯硅烷〔TMCS〕外表疏水改性后溶于丙酮制成涂層。通過將氣凝膠涂層涂于混凝土外表，測試其疏水性和耐水性等，證明超疏水性氣凝膠粉體涂層能到達(dá)保衛(wèi)無機(jī)建筑物不受污染物附著、雨水侵蝕的效果。2實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)材料與試劑本文采用的原材料包括水玻璃〔模數(shù)3.30、SiO273.08%、Na2O24.12%〕,十六烷基三甲基溴化銨〔CTAB〕,三甲基氯硅烷〔TMCS〕,正丁醇，工業(yè)級(jí)煤油〔密度7.58g/mL〕,工業(yè)級(jí)氨水〔pH值約為12〕,無水乙醇，正己烷，732鈉型強(qiáng)酸性陽離子苯乙烯交換樹脂，去離子水，丙酮。2.2超疏水性氣凝膠粉體制備按V〔水〕∶V〔水玻璃〕=3∶1稀釋水玻璃，并通過離子交換柱去除Na+;參加10mL煤油和一定量的陽離子外表活性劑CTAB及助外表活性劑正丁醇，并使用磁力攪拌機(jī)攪拌，得到澄清的微乳液；滴加氨水溶液，構(gòu)成細(xì)微的水凝膠后加去離子水，浸泡12h陳化，用無水乙醇洗滌、抽濾，以除去煤油和多余的CTAB,再用無水乙醇和正己烷作溶劑替換6h;最后用TMCS進(jìn)行溶劑替換和疏水改性12h后用正己烷洗滌未反響的TMCS,恒溫枯燥至恒重，得到硅氣凝膠粉體。2.3氣凝膠粉體疏水性測定及涂層制備氣凝膠粉體分別在150,250,350,450和600℃的溫度下保溫2h,待氣凝膠冷卻后取出，稱重。經(jīng)過處理的氣凝膠放置于去離子水中，每隔一段時(shí)間取出氣凝膠，枯燥稱重后即可獲得氣凝膠在不同溫度處理下的吸水率。分別將0.01,0.05,0.15和0.30g氣凝膠粉體與5mL丙酮混合，用毛刷涂刷在混凝土外表，丙酮揮發(fā)之后材料外表即留下1層氣凝膠涂層，測定不同粉體質(zhì)量與丙酮所制備出的涂層到達(dá)超疏水性所涂刷的最少次數(shù)，以及超疏水涂層的對(duì)水沖刷和浸泡的耐久性。2.4氣凝膠粉體及涂層技術(shù)性能測試SiO2氣凝膠經(jīng)熱處理后，用吸水率來表征其疏水損失；采用Nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀測定SiO2氣凝膠的FT-IR光譜，研究SiO2氣凝膠中的基團(tuán)；氣凝膠涂層的接觸角采用接觸角界面張力儀測定，以接觸角的大小表征其疏水性；采用JSM-5610LV掃描式電子顯微鏡〔SEM〕對(duì)氣凝膠的外表形貌進(jìn)行觀察。3結(jié)果與討論3.1溫度對(duì)氣凝膠粉體疏水性影響及其紅外分析本文采用三甲基氯硅烷〔TMCS〕為外表疏水改性劑，主要是由于TMCS的外表張力與交換溶劑正己烷的相近，在疏水改性經(jīng)過中不會(huì)由于外表張力相差過大構(gòu)成應(yīng)力而造成凝膠孔隙構(gòu)造的毀壞。同時(shí)TMCS和凝膠中的羥基〔Si-OH〕發(fā)生反響，生成硅烷基〔Si-CH3〕進(jìn)而實(shí)現(xiàn)疏水改性。圖1為不同溫度下處理的氣凝膠粉體的吸水率值，250℃下面時(shí)，吸水率為零；350℃時(shí)，吸水率到達(dá)5.9%,且不隨時(shí)間上升；而當(dāng)溫度為450℃時(shí)，短時(shí)間內(nèi)吸水率到達(dá)了360%;600℃處理過的氣凝膠在接觸到水的一霎時(shí)幾乎完全溶解，吸水率為無窮大。圖2為不同溫度處理后的氣凝膠FT-IR圖，能夠看出，150和250℃處理過的氣凝膠，其波數(shù)在2846,1197,871cm-1處存在強(qiáng)的硅烷基團(tuán)Si-CH3吸收峰，氣凝膠表現(xiàn)疏水特性。當(dāng)溫度為350和450℃時(shí)，波數(shù)在1100cm-1處吸收峰逐步加強(qiáng)，講明氣凝膠的中的Si-CH3基團(tuán)逐步被氧化成Si-O基團(tuán)，氣凝膠由疏水性向親水性轉(zhuǎn)變。600℃處理之后的氣凝膠硅烷基團(tuán)振動(dòng)吸收峰消失，波數(shù)在3434cm-1的-OH基團(tuán)和波數(shù)在1638cm-1的H-OH基團(tuán)振動(dòng)吸收峰增大，講明此時(shí)氣凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。3.2不同配比氣凝膠涂層的疏水性分析250℃下面時(shí)氣凝膠粉體具有超疏水性，以150℃處理過的氣凝膠粉體制備涂層。表1為不同氣凝膠粉體/丙酮配比的涂層到達(dá)超疏水性所需要的涂刷次數(shù)，當(dāng)氣凝膠粉體在5mL丙酮中分散之后，涂刷次數(shù)隨著氣凝膠粉體質(zhì)量的增加而減少。當(dāng)氣凝膠粉體含量較少時(shí)，每次涂刷后留在材料外表的粉體顆粒少，缺乏以構(gòu)成超疏水性涂層，需要增加涂刷次數(shù)。當(dāng)氣凝膠粉體濃度到達(dá)0.06g/mL〔0.30g/5.0mL〕時(shí)，涂刷1次即可到達(dá)超疏水性。在混凝土外表涂覆1層超疏水性氣凝膠涂層，被水沖洗之后，有涂層的那部分并沒有被水沾濕，而無涂層的部分則被水浸潤〔如此圖3所示〕.另外，涂刷次數(shù)還和基底材料的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)基底材料為玻璃等較光滑的外表時(shí)，粉體顆粒不能有效地粘附在外表之上，進(jìn)而不能構(gòu)成超疏水涂層。3.3超疏水氣凝膠涂層的微觀形貌分析對(duì)0.06g/mL的超疏水涂層進(jìn)行SEM分析，如此圖4所示，氣凝膠粉體吸附于基底材料外表構(gòu)成涂層。氣凝膠涂層之所以為超疏水性，是由于它知足了Cass-ie-Baxiter狀態(tài)的兩個(gè)條件：〔1〕經(jīng)TMCS的改性，氣凝膠的表面的-Si-OH硅羥基已經(jīng)被硅烷基團(tuán)-Si-CH3取代，所以外表為疏水性外表；〔2〕氣凝膠與TMCS反響造成外表脫落，凹凸不平，具有很大的不平整度。從SEM圖可以以明顯的看到，涂層外表具有一定的粗糙度。3.4超疏水氣凝膠涂層的耐久性測定用超疏水涂層分別涂刷在10cm5cm的枯燥混凝土試塊外表，對(duì)涂層混凝土進(jìn)行浸泡和沖刷實(shí)驗(yàn)，并測量接觸角。華而不實(shí)，沖刷經(jīng)過采用100mL/s流量的自來水正面沖刷試塊。由圖5可知，浸泡實(shí)驗(yàn)，涂層接觸角維持在150以上，保持超疏水特性。在沖刷試驗(yàn)中，接觸角迅速降低，0.5min時(shí)降為150，如此圖6所示。武漢年均降水量為1269mm,故可得武漢在50cm2的面積上年均降水為501269/10mL=6345mL.以0.5min來計(jì)算超疏水涂層的耐久性：0.56010012/6345=5.67〔月〕.因而，氣凝膠涂層在武漢氣候降雨量下能夠保持5.67個(gè)月的超疏水性。當(dāng)涂層的接觸角降到95以后，繼續(xù)沖刷，接觸角沒有明顯下降，講明在長時(shí)間沖刷下，涂層仍能保持一定的疏水性。由圖7能夠看出，沖刷前，涂層覆滿整個(gè)基底材料的外表，而沖刷之后，氣凝膠粉體明顯減少，僅剩部分粉體吸附在外表，而其接觸角也降低到95。實(shí)驗(yàn)還觀察到，超疏水涂層并不耐擦洗，僅一次擦洗就能使涂層喪失疏水性，由于涂層僅僅是靠粉體吸附構(gòu)成，吸附力不大。4結(jié)論〔1〕溫度對(duì)氣凝膠通過影響其外表的Si-CH3硅烷基基團(tuán)來影響其疏水性，250℃下面時(shí)氣凝膠為超疏水性，350℃以上時(shí)，因Si-CH3基團(tuán)被氧化超疏水性逐步降低，600℃時(shí)，Si-CH3基團(tuán)全部被氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性氣凝膠?！?