光诱导自组装法制备层状有机硅杂化材料的研究
目 录
1 引言1
1.1 超疏水现象及定义1
1.2 层状有机硅酸盐的概述2
1.3 层状有机硅酸盐的应用3
1.4 层状有机硅酸盐的传统制备方法5
1.5 光致溶胶凝胶法的反应机理和优势7
1.6 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
2.3 分析与检测11
3 结果与讨论12
3.1 验证此方案的可行性12
3.2 前驱体结构的影响16
3.3 光照条件影响17
结论20
致谢21
参考文献22
1 引言
1.1 超疏水现象及定义
表面润湿性是指液体（通常为水）在固体材料表面的铺展能力。它是固体材
料一个非常重要的物理化学性质。表面润湿性与人类的生产和生活息息相关，比如在农药的喷洒，油漆的喷涂以及矿物的筛选等工艺中都发挥着巨大的作用。对于材料的表面润湿性，古人很早就已经认识到了。北宋诗人周敦颐在其名作《爱莲说》中写到：“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，说的就是荷叶表面超疏水的性质。随着科学的进步以及现代化表征手段的出现，经过后人的进一步研究发现材料表面润湿性是材料本身的一种固有属性，它不仅受材料表面组成的影响，而且还受材料表面微观结构的影响。图 1-1中所展示的是水滴和汞滴在荷叶表面的宏观与微观照片[14]。
图1-1（a）荷叶上的水滴；（b）在叶子的顶部复合汞滴
目前，人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的疏水性。按照水滴在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类: 当接触角小于90o 时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为 7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于 150o，那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于 150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质[15]。在本论文中，我们研究的重点是超疏水表面。
自然界生物数十亿年的进化赋予了动植物近乎完美的结构与功能特征，这些结构与功能特性赋予了生命体拥有对自然界更多的驾驭能力，这些由多种复杂生物材料构成某种特定功能作用的启示也给人们对新型材料的开发与制备提供了无限创造力的源泉[20]。一些动植物表面天然具有超疏水功能，如池塘中的荷叶与柳荫下的蝉翼，雨水在荷叶表面聚集，形成聚集体而不铺展(图 1-1a)，水滴随着荷叶摆动，表面的灰尘在雨水中荡涤，雨后清翠荷叶展现着出污泥而不染的风采。荷叶的这种特性也称之为“荷叶效应”，是植物叶面的超疏水现象，自然界还有很多动植物的表面也具有超疏水功能，如芋头、水稻、苎麻和西瓜的叶面，蝉的翼面和水黾腿表面等[17]。本课题所探讨的层状有机硅酸盐因成膜后形成微观的粗糙表面形貌，所以也具备超疏水性能，且因其成膜后的形貌特征疏水性能也会发生改变。
1.2 层状有机硅酸盐概述
层状硅酸盐是层状硅酸盐矿物的聚合体,层状硅酸盐矿物是具有无序过渡结构的微粒质点含水层状硅酸盐矿物。层状硅酸盐的基本结构单元分为四面体片和八面体片，四面体片是由一个硅(或铝、铁)与四个氧紧密堆积所构成的四面体按照二维面呈六角网状连结无限展开构成。八面体片是铝(镁)按照二维面呈六次配位与氧或经基紧密堆积而成的八面体沿二维面无限展开而成的。而四面体与八面体按不同规律连接起来所构成的晶层称结构层"结构层的特性是层状硅酸盐矿物最重要的分类标志[1]。
层状硅酸盐是层状硅酸盐矿物的聚合体，层状硅酸盐矿物是具有无序过渡结构的微粒质点含水层状硅酸盐矿物。层状硅酸盐材料的结构多为二维平面层状结构，由八面体组成的八面体片(O)、四面体组成的四面体片(T)相间排列以 T：O=2:1 而成，以典型的 T-O-T 结构存在[2]。层状硅酸盐层间含有的阳离子如 Ca2+、Na+、H+、Li+等可以和溶液中的有机或无机阳离子发生离子交换反应，从而在原硅酸盐层间引入新的有机或无机阳离子，对原硅酸盐进行改性[3]，改性后的层状硅酸盐不但在纳米复合材料、石油化工、环保、工程建设和造纸业等领域有着广泛的应用，还可以作为催化剂和催化剂载体、离子交换剂应用于催化、吸附等领域。
1.2.1 层状硅酸盐的性能
层状硅酸盐微观表面粗糙，具备超疏水性能，并且具有极好的气密性，可用于制作水蒸气屏障，水蒸气屏障在很多领域都有应用，如食品包装、电子元件的保护、防腐蚀涂层等。同时，通过控制气体与液体的渗透，是防护涂料的关键[4]。一个6微米厚的层状杂化膜的透水性是比得上一个200微米厚的硅橡胶片，硅橡胶是一种医学上认可的生物惰性密封材料，所以在医学领域也具有很高的潜力。
图1-2 层状硅酸盐隔绝气液示意图
图1-3 层状硅酸盐疏水性示意图
1.3 层状有机硅酸盐的应用
超疏水表面的应用
由于超疏水表面具有特殊的润湿特性，使其在防水、防雾、防污、防结冰、工业装置和建筑物的自清洁、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、电力输送塔架和电缆在冬季防冰雪等许多方面都有潜在应用前景[7]。
自清洁
具有自清洁功能的超疏水表面不仅具有较高的接触角，还需要有较小的滚动角，即液滴在表面要非常容易滚动，在液滴滚动的过程中吸附污染物并将其带离表面，从而达到清洁的目的，超疏水表面自清洁过程如图 1-4 所示。 大型建筑物的外墙、高层建筑的玻璃幕墙由于灰尘的污染经常需要清洗，清洗工作费时、费力且相当危险，如果覆上一层超疏水涂层，利用自然雨水清洗除尘，既节能环保，又免去成本高昂的外观维护，有较好的应用前景；玻璃窗、汽车挡风玻璃表面若涂布有自清洁功能的超疏水材料，可以免除人工清洗的许多烦恼[7]。太阳能电池板表面容易沉积灰尘，影响到电池板的光电转换效率，如果覆上具有高透明、减反射效果的超疏水涂层，可以改善电池板光电转换效率，免去人工清洗的成本[8]。
图 1-4 光滑表面(a)和超疏水表面(b)清洗机理图解
将超疏水涂层应用到金属表面上，可以起到隔离潮湿水气、减少金属腐蚀作用；将超疏水涂层应用到船身吃水线下或潜艇外表面，还可以减少运动中水的阻力，提高船的行驶速度并节省能耗。中科院兰州化学物理研究所田军等人。用改性硅橡胶与 PU 树脂制备疏水涂料，通过测量用疏水涂料涂装的平板试样对水的运动阻力，发现在相对较低的运动速度下，有疏水涂层试样的运动阻力可以减少 20%以上[9]。质纯的层状硅酸盐,如滑石、高岭土具有一系列的优良性质,被广泛应用于造纸、耐火材料、橡胶、陶瓷、油漆等工业,在国民经济建设中有着举足轻重的作用。
（2）为了成膜性较好，加入0.5%流平剂（BYK333)，置于棕色小瓶子中（为了避免光引发剂分解）；并且在小瓶子外部包上铝箔纸薄膜；
1 引言1
1.1 超疏水现象及定义1
1.2 层状有机硅酸盐的概述2
1.3 层状有机硅酸盐的应用3
1.4 层状有机硅酸盐的传统制备方法5
1.5 光致溶胶凝胶法的反应机理和优势7
1.6 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
2.3 分析与检测11
3 结果与讨论12
3.1 验证此方案的可行性12
3.2 前驱体结构的影响16
3.3 光照条件影响17
结论20
致谢21
参考文献22
1 引言
1.1 超疏水现象及定义
表面润湿性是指液体（通常为水）在固体材料表面的铺展能力。它是固体材
料一个非常重要的物理化学性质。表面润湿性与人类的生产和生活息息相关，比如在农药的喷洒，油漆的喷涂以及矿物的筛选等工艺中都发挥着巨大的作用。对于材料的表面润湿性，古人很早就已经认识到了。北宋诗人周敦颐在其名作《爱莲说》中写到：“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，说的就是荷叶表面超疏水的性质。随着科学的进步以及现代化表征手段的出现，经过后人的进一步研究发现材料表面润湿性是材料本身的一种固有属性，它不仅受材料表面组成的影响，而且还受材料表面微观结构的影响。图 1-1中所展示的是水滴和汞滴在荷叶表面的宏观与微观照片[14]。
图1-1（a）荷叶上的水滴；（b）在叶子的顶部复合汞滴
目前，人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的疏水性。按照水滴在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类: 当接触角小于90o 时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为 7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于 150o，那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于 150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质[15]。在本论文中，我们研究的重点是超疏水表面。
自然界生物数十亿年的进化赋予了动植物近乎完美的结构与功能特征，这些结构与功能特性赋予了生命体拥有对自然界更多的驾驭能力，这些由多种复杂生物材料构成某种特定功能作用的启示也给人们对新型材料的开发与制备提供了无限创造力的源泉[20]。一些动植物表面天然具有超疏水功能，如池塘中的荷叶与柳荫下的蝉翼，雨水在荷叶表面聚集，形成聚集体而不铺展(图 1-1a)，水滴随着荷叶摆动，表面的灰尘在雨水中荡涤，雨后清翠荷叶展现着出污泥而不染的风采。荷叶的这种特性也称之为“荷叶效应”，是植物叶面的超疏水现象，自然界还有很多动植物的表面也具有超疏水功能，如芋头、水稻、苎麻和西瓜的叶面，蝉的翼面和水黾腿表面等[17]。本课题所探讨的层状有机硅酸盐因成膜后形成微观的粗糙表面形貌，所以也具备超疏水性能，且因其成膜后的形貌特征疏水性能也会发生改变。
1.2 层状有机硅酸盐概述
层状硅酸盐是层状硅酸盐矿物的聚合体,层状硅酸盐矿物是具有无序过渡结构的微粒质点含水层状硅酸盐矿物。层状硅酸盐的基本结构单元分为四面体片和八面体片，四面体片是由一个硅(或铝、铁)与四个氧紧密堆积所构成的四面体按照二维面呈六角网状连结无限展开构成。八面体片是铝(镁)按照二维面呈六次配位与氧或经基紧密堆积而成的八面体沿二维面无限展开而成的。而四面体与八面体按不同规律连接起来所构成的晶层称结构层"结构层的特性是层状硅酸盐矿物最重要的分类标志[1]。
层状硅酸盐是层状硅酸盐矿物的聚合体，层状硅酸盐矿物是具有无序过渡结构的微粒质点含水层状硅酸盐矿物。层状硅酸盐材料的结构多为二维平面层状结构，由八面体组成的八面体片(O)、四面体组成的四面体片(T)相间排列以 T：O=2:1 而成，以典型的 T-O-T 结构存在[2]。层状硅酸盐层间含有的阳离子如 Ca2+、Na+、H+、Li+等可以和溶液中的有机或无机阳离子发生离子交换反应，从而在原硅酸盐层间引入新的有机或无机阳离子，对原硅酸盐进行改性[3]，改性后的层状硅酸盐不但在纳米复合材料、石油化工、环保、工程建设和造纸业等领域有着广泛的应用，还可以作为催化剂和催化剂载体、离子交换剂应用于催化、吸附等领域。
1.2.1 层状硅酸盐的性能
层状硅酸盐微观表面粗糙，具备超疏水性能，并且具有极好的气密性，可用于制作水蒸气屏障，水蒸气屏障在很多领域都有应用，如食品包装、电子元件的保护、防腐蚀涂层等。同时，通过控制气体与液体的渗透，是防护涂料的关键[4]。一个6微米厚的层状杂化膜的透水性是比得上一个200微米厚的硅橡胶片，硅橡胶是一种医学上认可的生物惰性密封材料，所以在医学领域也具有很高的潜力。
图1-2 层状硅酸盐隔绝气液示意图
图1-3 层状硅酸盐疏水性示意图
1.3 层状有机硅酸盐的应用
超疏水表面的应用
由于超疏水表面具有特殊的润湿特性，使其在防水、防雾、防污、防结冰、工业装置和建筑物的自清洁、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、电力输送塔架和电缆在冬季防冰雪等许多方面都有潜在应用前景[7]。
自清洁
具有自清洁功能的超疏水表面不仅具有较高的接触角，还需要有较小的滚动角，即液滴在表面要非常容易滚动，在液滴滚动的过程中吸附污染物并将其带离表面，从而达到清洁的目的，超疏水表面自清洁过程如图 1-4 所示。 大型建筑物的外墙、高层建筑的玻璃幕墙由于灰尘的污染经常需要清洗，清洗工作费时、费力且相当危险，如果覆上一层超疏水涂层，利用自然雨水清洗除尘，既节能环保，又免去成本高昂的外观维护，有较好的应用前景；玻璃窗、汽车挡风玻璃表面若涂布有自清洁功能的超疏水材料，可以免除人工清洗的许多烦恼[7]。太阳能电池板表面容易沉积灰尘，影响到电池板的光电转换效率，如果覆上具有高透明、减反射效果的超疏水涂层，可以改善电池板光电转换效率，免去人工清洗的成本[8]。
图 1-4 光滑表面(a)和超疏水表面(b)清洗机理图解
将超疏水涂层应用到金属表面上，可以起到隔离潮湿水气、减少金属腐蚀作用；将超疏水涂层应用到船身吃水线下或潜艇外表面，还可以减少运动中水的阻力，提高船的行驶速度并节省能耗。中科院兰州化学物理研究所田军等人。用改性硅橡胶与 PU 树脂制备疏水涂料，通过测量用疏水涂料涂装的平板试样对水的运动阻力，发现在相对较低的运动速度下，有疏水涂层试样的运动阻力可以减少 20%以上[9]。质纯的层状硅酸盐,如滑石、高岭土具有一系列的优良性质,被广泛应用于造纸、耐火材料、橡胶、陶瓷、油漆等工业,在国民经济建设中有着举足轻重的作用。
（2）为了成膜性较好，加入0.5%流平剂（BYK333)，置于棕色小瓶子中（为了避免光引发剂分解）；并且在小瓶子外部包上铝箔纸薄膜；
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/yyhx/909.html
