光聚合法制备具有粗糙疏水表面的有机无机杂化涂层研究
目录
1 绪论 3
1.1 超疏水材料背景及研究意义 3
1.1.2接触角 3
1.2超疏水材料的应用 4
1.2.1 自清洁 4
1.3超疏水的制备方法 5
1.4 传统溶胶凝胶法 6
1.4.1溶胶凝胶法的反应机理 7
1.4.2溶胶凝胶法的优缺点 7
1.4.2光致溶胶凝胶法的反应原理 7
1.4.3 LED固化技术的优点 8
1.5 本课题研究的内容和意义 9
2 实验部分 9
2.1 实验药品及仪器 9
2.2 实验步骤及流程 10
2.2.1 实验一 10
2.2.2实验二 11
2.3.分析与检测 11
2.3.1 扫描电镜分析 11
2.3.2偏光显微镜分析 11
2.3.3 红外分析 12
2.3.4 XRD分析 12
2.3.5接触角测量仪 12
3 结果与讨论 12
3.1 验证此方案的可行性 12
3.1.1 红外分析 12
3.1.2 XRD分析 13
3.1.3 偏光显微镜图分析 13
3.1.4 扫描电镜分析 14
3.1.5 水接触的测试 15
3.3 PDMS的影响 17
结 论 19
致 谢 19
参 考 文 献 20
1. 绪论
1.1 超疏水材料背景及研究意义
“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，这句诗就把超疏水 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
材料体现得淋淋尽致，莲花从污泥中长出来，却不受到污染，为什么这样说呢，因为荷叶上就像涂满了一层超疏水性的薄膜，水滴不能附着在荷叶上，而荷叶的粉尘随水滴不能附着一起倾泻而下，从而达到了出淤泥而不染的现象，在我们通过微观显微镜的观察下会发现，荷花叶上是非常粗糙纳米和微米层状结构（微米结构和蜡晶体形成的纳米结构）[1]。在自然中还有许多这样的现象，比如，水蝇它能够在水面上自由的行走而不会掉下去，都是因为他们足下具备了超疏水表面的特性[6]。从这些特性让我们意识到超疏水材料发展前进有多大的潜力。我们可以利用它那种“出淤泥而不染”能自我清洁的特性应用到生活中，可以把它涂在金属表面防腐蚀。还有理由仿生[4] ，把材料涂在船只或者舰艇上减少行进阻力从而节约能耗，随着研究不断进展，相信还有很多功能不断开发出来。
1.1.2接触角
通过研究我们确定水滴接触角大于150°的表面称为超疏水表面。由于超疏水材料自我清洁能力表现非常卓越，也就是我们前面提出的“出淤泥而不染”这样的自清洁效果让我们在许多领域得到了广泛的应用，如，自我清洁，防腐蚀、减小船只的行动阻力等。通过对材料表面点滴水滴并测量之间的接触角来表征材料的疏水性。并经过多次的研究证明得到如下结论。（1）：接触角小于90°时是亲水性材料；接触角小于5o，是超亲水材料。如：经过浓硫酸和双氧水（体积比为 7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会迅速扩展开，展现出超亲水的性质；接触角大于90°小于150°时，疏水材料；接触角大于150°是，超疏水材料例如在前面我们所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于 150o，水滴不能在荷叶上停留，极易滑落，因此造就了它“出淤泥而不染”的性质[12]。在本论文中，我们研究的重点是超疏水表面的制备。
1.2超疏水材料的应用
由于超疏水材料表面非常粗糙纳米和微米层状结构造就了它的拒水性能，从而让它在许多的领域有着非常卓越的发展前进，如防水、防雾、防污、防结冰、工业器材、建筑物的自清洁、高压电气设备的自清洁与防闪络、生物医学和仿生材料应用、管道防水与抗腐蚀、流体减阻节能、电力输送塔和电缆在冬季防冰雪等[11]。
1.2.1 自清洁
一般来说，具有自我清洁功能的超疏水材料应该同时具备较高的接触角和较小的滚动角，也就是在材料表面水滴不会附着在上面，容易滚动下来，而在液滴滚动下来的时候把材料表面的污染物一同带离材料表面，从而达到清洁的效果，如图2所示，图解了超疏水材料自清洁的机理。从图中我们可以看出，b的接触面因为很粗糙性造成了水滴在表面摩擦面的减少，降低了阻力，从而更易滚动下来，利用了超疏水材料的的粗糙表面。
图 1-1 普通材料(a)和超疏水材料表面(b)清洗机理图解
通过对超疏水材料的自清洁性能研究，我们发现超疏水材料在未来有着非常广泛的应用前景。
一．建筑领域的应用
因为建筑的外墙或者玻璃墙受到的污染来源主要来自与外部环境污染以及空气中的尘埃、污染颗粒、悬浮物、侵蚀性物质等。如，建筑物的玻璃墙，在涂上具有自清洁的超疏水材料以后，利用自清洁机理，通过自然界中的雨水，把玻璃上的粉尘带落下来达到清洁的效果，即环保有节约。有免去了人工清洁高昂的清洁成本[2]。
二．纺织领域的应用
人们通过PDVF高分子链与CAS形成具有很高耐溶性和机械强度且可承受很大摩擦力的纤维膜。这种膜由于微观表面粗糙，且具备超疏水性能，并且具有极好的气密性使它在服装，纺织品上可以起到防水防污很大效果，被广泛运用与纺织领域，并得到了很大的成就[18]。
三．交通运输领域的应用
（1）舰艇，船只
在海洋中运行的船只不仅要考虑到来自海里污染物对船只表面的侵蚀，还要考虑水流对船只阻力的影响。当把材料涂在船只或者舰艇上减少行进时候船只与水之间的阻力从而节约能耗[3]，并且材料的自清洗还可以防止水中污染物的附着，从而减少污染物对船本体的腐蚀。从而大大减少对船只维修和动力输出的成本[20-22]。
（2）汽车
当我们把超疏水涂层材料涂在汽车挡风玻璃上。在雨天，利用超疏水的拒水性，雨滴极易从挡风玻璃上滚落，不会影响驾驶员视线，而且在清理玻璃时非常容易[21]。
四．防腐蚀领域的应用
由于工业不断发展，金属的应用越来越广泛，可随之而来的问题也出现，就是对金属的防腐蚀的问题不断出现，造成了巨大的经济损失，随着超疏水涂层材料的出现，通过把材料涂在金属表面，因其超疏水材料粗糙的微观结构可以提高水的静态接触角，让腐蚀液难以渗入涂层以下的金属表面，隔壁了金属与腐蚀液的接触，从而起到了很大的防腐蚀作用，如把材料涂在船只或者舰艇上并且材料的自清洗还可以防止水中污染物的附着，减少污染物对船本体金属的腐蚀；由于工业装置长期处化学腐蚀液中容易受到腐蚀，把超疏水材料涂上以后，大大降低了化学腐蚀液的侵蚀[21-22]。
五．其他领域的应用
超疏水涂层材料膜在生活中以及其它领域也得到实际应用，如：在家电的中，我们可以通过涂上超疏水材料起到降低能耗的效果，并能延长家电的使用寿命。如冰箱内胆，空调的换热器；由于对液体的自清洗性，把材料涂在输送管道管壁，微型注射器上，可降低流动液体之间的阻力达到无漏损传送。
如今，由于化工工业的发展迅速，造成了我们国家的空气污染非常严重，空气的污染物越来越多，对建筑以及身边的的事物造成很大污染和腐蚀，造成了很大的经济损失，人们急需开发出一种具有自我清洁且环保的涂层材料来减少每年在清理建筑物所需的资金。具有那种 “出淤泥而不染”荷叶仿生超疏水无机-有机杂化材料成为了研究人员的研究重点。当然，这种材料还存在许多问题需要解决，如何提高材料的稳定性以及耐久性从而减少在使用过程中的磨损造成结构的损坏，破坏了材料的疏水性都是我们未来的研究重点。
1 绪论 3
1.1 超疏水材料背景及研究意义 3
1.1.2接触角 3
1.2超疏水材料的应用 4
1.2.1 自清洁 4
1.3超疏水的制备方法 5
1.4 传统溶胶凝胶法 6
1.4.1溶胶凝胶法的反应机理 7
1.4.2溶胶凝胶法的优缺点 7
1.4.2光致溶胶凝胶法的反应原理 7
1.4.3 LED固化技术的优点 8
1.5 本课题研究的内容和意义 9
2 实验部分 9
2.1 实验药品及仪器 9
2.2 实验步骤及流程 10
2.2.1 实验一 10
2.2.2实验二 11
2.3.分析与检测 11
2.3.1 扫描电镜分析 11
2.3.2偏光显微镜分析 11
2.3.3 红外分析 12
2.3.4 XRD分析 12
2.3.5接触角测量仪 12
3 结果与讨论 12
3.1 验证此方案的可行性 12
3.1.1 红外分析 12
3.1.2 XRD分析 13
3.1.3 偏光显微镜图分析 13
3.1.4 扫描电镜分析 14
3.1.5 水接触的测试 15
3.3 PDMS的影响 17
结 论 19
致 谢 19
参 考 文 献 20
1. 绪论
1.1 超疏水材料背景及研究意义
“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，这句诗就把超疏水 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
材料体现得淋淋尽致，莲花从污泥中长出来，却不受到污染，为什么这样说呢，因为荷叶上就像涂满了一层超疏水性的薄膜，水滴不能附着在荷叶上，而荷叶的粉尘随水滴不能附着一起倾泻而下，从而达到了出淤泥而不染的现象，在我们通过微观显微镜的观察下会发现，荷花叶上是非常粗糙纳米和微米层状结构（微米结构和蜡晶体形成的纳米结构）[1]。在自然中还有许多这样的现象，比如，水蝇它能够在水面上自由的行走而不会掉下去，都是因为他们足下具备了超疏水表面的特性[6]。从这些特性让我们意识到超疏水材料发展前进有多大的潜力。我们可以利用它那种“出淤泥而不染”能自我清洁的特性应用到生活中，可以把它涂在金属表面防腐蚀。还有理由仿生[4] ，把材料涂在船只或者舰艇上减少行进阻力从而节约能耗，随着研究不断进展，相信还有很多功能不断开发出来。
1.1.2接触角
通过研究我们确定水滴接触角大于150°的表面称为超疏水表面。由于超疏水材料自我清洁能力表现非常卓越，也就是我们前面提出的“出淤泥而不染”这样的自清洁效果让我们在许多领域得到了广泛的应用，如，自我清洁，防腐蚀、减小船只的行动阻力等。通过对材料表面点滴水滴并测量之间的接触角来表征材料的疏水性。并经过多次的研究证明得到如下结论。（1）：接触角小于90°时是亲水性材料；接触角小于5o，是超亲水材料。如：经过浓硫酸和双氧水（体积比为 7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会迅速扩展开，展现出超亲水的性质；接触角大于90°小于150°时，疏水材料；接触角大于150°是，超疏水材料例如在前面我们所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于 150o，水滴不能在荷叶上停留，极易滑落，因此造就了它“出淤泥而不染”的性质[12]。在本论文中，我们研究的重点是超疏水表面的制备。
1.2超疏水材料的应用
由于超疏水材料表面非常粗糙纳米和微米层状结构造就了它的拒水性能，从而让它在许多的领域有着非常卓越的发展前进，如防水、防雾、防污、防结冰、工业器材、建筑物的自清洁、高压电气设备的自清洁与防闪络、生物医学和仿生材料应用、管道防水与抗腐蚀、流体减阻节能、电力输送塔和电缆在冬季防冰雪等[11]。
1.2.1 自清洁
一般来说，具有自我清洁功能的超疏水材料应该同时具备较高的接触角和较小的滚动角，也就是在材料表面水滴不会附着在上面，容易滚动下来，而在液滴滚动下来的时候把材料表面的污染物一同带离材料表面，从而达到清洁的效果，如图2所示，图解了超疏水材料自清洁的机理。从图中我们可以看出，b的接触面因为很粗糙性造成了水滴在表面摩擦面的减少，降低了阻力，从而更易滚动下来，利用了超疏水材料的的粗糙表面。
图 1-1 普通材料(a)和超疏水材料表面(b)清洗机理图解
通过对超疏水材料的自清洁性能研究，我们发现超疏水材料在未来有着非常广泛的应用前景。
一．建筑领域的应用
因为建筑的外墙或者玻璃墙受到的污染来源主要来自与外部环境污染以及空气中的尘埃、污染颗粒、悬浮物、侵蚀性物质等。如，建筑物的玻璃墙，在涂上具有自清洁的超疏水材料以后，利用自清洁机理，通过自然界中的雨水，把玻璃上的粉尘带落下来达到清洁的效果，即环保有节约。有免去了人工清洁高昂的清洁成本[2]。
二．纺织领域的应用
人们通过PDVF高分子链与CAS形成具有很高耐溶性和机械强度且可承受很大摩擦力的纤维膜。这种膜由于微观表面粗糙，且具备超疏水性能，并且具有极好的气密性使它在服装，纺织品上可以起到防水防污很大效果，被广泛运用与纺织领域，并得到了很大的成就[18]。
三．交通运输领域的应用
（1）舰艇，船只
在海洋中运行的船只不仅要考虑到来自海里污染物对船只表面的侵蚀，还要考虑水流对船只阻力的影响。当把材料涂在船只或者舰艇上减少行进时候船只与水之间的阻力从而节约能耗[3]，并且材料的自清洗还可以防止水中污染物的附着，从而减少污染物对船本体的腐蚀。从而大大减少对船只维修和动力输出的成本[20-22]。
（2）汽车
当我们把超疏水涂层材料涂在汽车挡风玻璃上。在雨天，利用超疏水的拒水性，雨滴极易从挡风玻璃上滚落，不会影响驾驶员视线，而且在清理玻璃时非常容易[21]。
四．防腐蚀领域的应用
由于工业不断发展，金属的应用越来越广泛，可随之而来的问题也出现，就是对金属的防腐蚀的问题不断出现，造成了巨大的经济损失，随着超疏水涂层材料的出现，通过把材料涂在金属表面，因其超疏水材料粗糙的微观结构可以提高水的静态接触角，让腐蚀液难以渗入涂层以下的金属表面，隔壁了金属与腐蚀液的接触，从而起到了很大的防腐蚀作用，如把材料涂在船只或者舰艇上并且材料的自清洗还可以防止水中污染物的附着，减少污染物对船本体金属的腐蚀；由于工业装置长期处化学腐蚀液中容易受到腐蚀，把超疏水材料涂上以后，大大降低了化学腐蚀液的侵蚀[21-22]。
五．其他领域的应用
超疏水涂层材料膜在生活中以及其它领域也得到实际应用，如：在家电的中，我们可以通过涂上超疏水材料起到降低能耗的效果，并能延长家电的使用寿命。如冰箱内胆，空调的换热器；由于对液体的自清洗性，把材料涂在输送管道管壁，微型注射器上，可降低流动液体之间的阻力达到无漏损传送。
如今，由于化工工业的发展迅速，造成了我们国家的空气污染非常严重，空气的污染物越来越多，对建筑以及身边的的事物造成很大污染和腐蚀，造成了很大的经济损失，人们急需开发出一种具有自我清洁且环保的涂层材料来减少每年在清理建筑物所需的资金。具有那种 “出淤泥而不染”荷叶仿生超疏水无机-有机杂化材料成为了研究人员的研究重点。当然，这种材料还存在许多问题需要解决，如何提高材料的稳定性以及耐久性从而减少在使用过程中的磨损造成结构的损坏，破坏了材料的疏水性都是我们未来的研究重点。
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