超疏水性气凝胶粉体涂层制备与性能检测,应用化学论文

超疏水性气凝胶粉体涂层制备与性能检测,应用化学论文超疏水材料是指这种材料的外表对水的静态接触角在150以上，对水为绝对疏水，且滚动角20[1].接触角越大，外表上的水珠就越圆，当接触角到达90以上就称为疏水性外表，当接触角到达150时，水珠就能在外表上滚动，进而到达超疏水的效果〔也称为荷叶效应〕[2].根据Cassie-Baxiter[3]提出的状态理论，超疏水状态必须知足两个条件：〔1〕材料界面为疏水性外表〔即接触角90〔2〕材料的外表必须有一定粗糙度微构造，以托起液滴，阻止因液滴接触到材料外表的底部而降低滚动角。超疏水材料在很多领域都有很大的应用价值，主要利用其自清洁性、防腐蚀性和超疏水性等独特的外表性质[4].超疏水性涂层的研究始于1950年[4],当前超疏水性外表的制备方式方法主要有下面两种途径：〔1〕直接采用疏水性的材料，并用物理或化学方式方法改变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进行疏水改性或者在其外表覆盖1层低外表能的疏水性物质[6].超疏水涂层制备方式方法主要有：升华物质微粒成孔法[7]、化学气相沉积法[8]、离子体处理法[9]、溶胶-凝胶法[10-11]等。本文所用的气凝胶是以水玻璃为原料，采用微乳液法在常压枯燥工艺下制得的粉体气凝胶，经三甲基氯硅烷〔TMCS〕外表疏水改性后溶于丙酮制成涂层。通过将气凝胶涂层涂于混凝土外表，测试其疏水性和耐水性等，证明超疏水性气凝胶粉体涂层能到达保卫无机建筑物不受污染物附着、雨水侵蚀的效果。2实验2.1实验材料与试剂本文采用的原材料包括水玻璃〔模数3.30、SiO273.08%、Na2O24.12%〕,十六烷基三甲基溴化铵〔CTAB〕,三甲基氯硅烷〔TMCS〕,正丁醇，工业级煤油〔密度7.58g/mL〕,工业级氨水〔pH值约为12〕,无水乙醇，正己烷，732钠型强酸性阳离子苯乙烯交换树脂，去离子水，丙酮。2.2超疏水性气凝胶粉体制备按V〔水〕∶V〔水玻璃〕=3∶1稀释水玻璃，并通过离子交换柱去除Na+;参加10mL煤油和一定量的阳离子外表活性剂CTAB及助外表活性剂正丁醇，并使用磁力搅拌机搅拌，得到澄清的微乳液；滴加氨水溶液，构成细微的水凝胶后加去离子水，浸泡12h陈化，用无水乙醇洗涤、抽滤，以除去煤油和多余的CTAB,再用无水乙醇和正己烷作溶剂替换6h;最后用TMCS进行溶剂替换和疏水改性12h后用正己烷洗涤未反响的TMCS,恒温枯燥至恒重，得到硅气凝胶粉体。2.3气凝胶粉体疏水性测定及涂层制备气凝胶粉体分别在150,250,350,450和600℃的温度下保温2h,待气凝胶冷却后取出，称重。经过处理的气凝胶放置于去离子水中，每隔一段时间取出气凝胶，枯燥称重后即可获得气凝胶在不同温度处理下的吸水率。分别将0.01,0.05,0.15和0.30g气凝胶粉体与5mL丙酮混合，用毛刷涂刷在混凝土外表，丙酮挥发之后材料外表即留下1层气凝胶涂层，测定不同粉体质量与丙酮所制备出的涂层到达超疏水性所涂刷的最少次数，以及超疏水涂层的对水冲刷和浸泡的耐久性。2.4气凝胶粉体及涂层技术性能测试SiO2气凝胶经热处理后，用吸水率来表征其疏水损失；采用Nicolet6700傅里叶变换红外光谱仪测定SiO2气凝胶的FT-IR光谱，研究SiO2气凝胶中的基团；气凝胶涂层的接触角采用接触角界面张力仪测定，以接触角的大小表征其疏水性；采用JSM-5610LV扫描式电子显微镜〔SEM〕对气凝胶的外表形貌进行观察。3结果与讨论3.1温度对气凝胶粉体疏水性影响及其红外分析本文采用三甲基氯硅烷〔TMCS〕为外表疏水改性剂，主要是由于TMCS的外表张力与交换溶剂正己烷的相近，在疏水改性经过中不会由于外表张力相差过大构成应力而造成凝胶孔隙构造的毁坏。同时TMCS和凝胶中的羟基〔Si-OH〕发生反响，生成硅烷基〔Si-CH3〕进而实现疏水改性。图1为不同温度下处理的气凝胶粉体的吸水率值，250℃下面时，吸水率为零；350℃时，吸水率到达5.9%,且不随时间上升；而当温度为450℃时，短时间内吸水率到达了360%;600℃处理过的气凝胶在接触到水的一霎时几乎完全溶解，吸水率为无穷大。图2为不同温度处理后的气凝胶FT-IR图，能够看出，150和250℃处理过的气凝胶，其波数在2846,1197,871cm-1处存在强的硅烷基团Si-CH3吸收峰，气凝胶表现疏水特性。当温度为350和450℃时，波数在1100cm-1处吸收峰逐步加强，讲明气凝胶的中的Si-CH3基团逐步被氧化成Si-O基团，气凝胶由疏水性向亲水性转变。600℃处理之后的气凝胶硅烷基团振动吸收峰消失，波数在3434cm-1的-OH基团和波数在1638cm-1的H-OH基团振动吸收峰增大，讲明此时气凝胶转变为亲水性。3.2不同配比气凝胶涂层的疏水性分析250℃下面时气凝胶粉体具有超疏水性，以150℃处理过的气凝胶粉体制备涂层。表1为不同气凝胶粉体/丙酮配比的涂层到达超疏水性所需要的涂刷次数，当气凝胶粉体在5mL丙酮中分散之后，涂刷次数随着气凝胶粉体质量的增加而减少。当气凝胶粉体含量较少时，每次涂刷后留在材料外表的粉体颗粒少，缺乏以构成超疏水性涂层，需要增加涂刷次数。当气凝胶粉体浓度到达0.06g/mL〔0.30g/5.0mL〕时，涂刷1次即可到达超疏水性。在混凝土外表涂覆1层超疏水性气凝胶涂层，被水冲洗之后，有涂层的那部分并没有被水沾湿，而无涂层的部分则被水浸润〔如此图3所示〕.另外，涂刷次数还和基底材料的性质有关，当基底材料为玻璃等较光滑的外表时，粉体颗粒不能有效地粘附在外表之上，进而不能构成超疏水涂层。3.3超疏水气凝胶涂层的微观形貌分析对0.06g/mL的超疏水涂层进行SEM分析，如此图4所示，气凝胶粉体吸附于基底材料外表构成涂层。气凝胶涂层之所以为超疏水性，是由于它知足了Cass-ie-Baxiter状态的两个条件：〔1〕经TMCS的改性，气凝胶的表面的-Si-OH硅羟基已经被硅烷基团-Si-CH3取代，所以外表为疏水性外表；〔2〕气凝胶与TMCS反响造成外表脱落，凹凸不平，具有很大的不平整度。从SEM图可以以明显的看到，涂层外表具有一定的粗糙度。3.4超疏水气凝胶涂层的耐久性测定用超疏水涂层分别涂刷在10cm5cm的枯燥混凝土试块外表，对涂层混凝土进行浸泡和冲刷实验，并测量接触角。华而不实，冲刷经过采用100mL/s流量的自来水正面冲刷试块。由图5可知，浸泡实验，涂层接触角维持在150以上，保持超疏水特性。在冲刷试验中，接触角迅速降低，0.5min时降为150，如此图6所示。武汉年均降水量为1269mm,故可得武汉在50cm2的面积上年均降水为501269/10mL=6345mL.以0.5min来计算超疏水涂层的耐久性：0.56010012/6345=5.67〔月〕.因而，气凝胶涂层在武汉气候降雨量下能够保持5.67个月的超疏水性。当涂层的接触角降到95以后，继续冲刷，接触角没有明显下降，讲明在长时间冲刷下，涂层仍能保持一定的疏水性。由图7能够看出，冲刷前，涂层覆满整个基底材料的外表，而冲刷之后，气凝胶粉体明显减少，仅剩部分粉体吸附在外表，而其接触角也降低到95。实验还观察到，超疏水涂层并不耐擦洗，仅一次擦洗就能使涂层丧失疏水性，由于涂层仅仅是靠粉体吸附构成，吸附力不大。4结论〔1〕温度对气凝胶通过影响其外表的Si-CH3硅烷基基团来影响其疏水性，250℃下面时气凝胶为超疏水性，350℃以上时，因Si-CH3基团被氧化超疏水性逐步降低，600℃时，Si-CH3基团全部被氧化，转变为亲水性气凝胶。〔2