【文献速递】三角形排列的二氧化硅结构能进一步提高超疏水表面的水接触角

2019-05-12 08:07:31 益家涂料联盟 226
涂料工业:

关键词:聚碳酸酯 表面改性 二氧化硅 超疏水

背景:最近几年,结合低表面能和粗糙结构具有疏水性质涂层受到了研究人员的广泛关注。从大自然中荷叶等植物的叶片、以果蝇为代表的昆虫的眼睛以及水蜘蛛的毛腿等中受到启发。超疏水表面可以通过多种方式来制备,例如静电纺丝法、旋涂法和溶胶凝胶法。

截止到目前为止,尚未有仅靠降低固体表面能达到超疏水性质的报道出现。我们可以通过在普通材料表面修饰一层低表面能物质来实现疏水性表面,但是其所能达到的最大接触角也仅在120°左右。要获得超疏水表面,还要对疏水表面进行微结构化处理。


比利时蒙斯大学(University of Mons)的Conti等人发现了一种控制表面粗糙度的方法,他们在聚碳酸酯表面构造了双层二氧化硅结构,顶层的二氧化硅呈三角形排列,将基材的水接触角提升到了147°。

图1 (a)双层二氧化硅结构(b)顶层的二氧化硅呈三角形排列


研究内容:在聚碳酸酯表面制备超疏水结构


分别用乙烯基三乙氧基硅(VTES)烷制备二氧化硅混合溶胶,可以通过调整乳化剂添加量来控制混合溶胶的粒径(1.3× 10−3g(~150nm);2.6×10−3g(~100nm);3.9×10−3g(~70nm);6.5×10−3g (~40nm)),用正硅酸四乙酯(TEOS)制备二氧化硅纳米颗粒。涂膜过程分为两步,先用浸渍提拉法提拉VTES混合溶胶,等待70°C固化半小时后再提拉一层二氧化硅纳米颗粒。


结构表征与性能测试


作者对所合成的杂化材料进行一系列的表征与性能测试。

1
 AFM分析

图2(a)(b)(c)(d)为不同浓度乳化剂制备的混合溶胶的原子力显微镜谱图,通过对谱图的解析能够证明不同乳化剂浓度制备的混合溶胶的粒径是不一样的。

图2 混合溶胶的AFM谱图AFM谱图(a)40nm(b)70nm(c)100nm(d)150nm(e)二氧化硅纳米颗粒

图3 粒径为(a)40nm(b)70nm混合溶胶制备的聚团酸酯涂层的AFM图谱

图4 粒径为(a)100nm(b)150nm混合溶胶制备的聚团酸酯涂层的AFM图谱


图5 图4(a) region 1的放大


图3和图4是涂膜后聚碳酸酯的原子力显微镜图片,可以看到混合溶胶的粒径决定了,通过放大可以看到顶层的形貌已经具备了构成Cassie-Baxter模型的条件

2
 接触角测试


图6是不同粒径的混合溶胶制备的双层膜的水接触角,可以发现粒径在70nm的混合溶胶制备的膜疏水性能最好,达到147°。

图6 不同粒径溶胶制备的双层膜的水接触角

3
 红外测试


图7是VTES混合溶胶和二氧化硅溶胶的红外吸收光谱,可以看到1633cm-1处都有明显的Si-OH键吸收峰,1064cm−1, 948 cm−1和792 cm−1是二氧化硅纳米颗粒特有的Si-O-Si吸收峰。2975cm−1 和2888cm−1是混合溶胶中VTES中的-CH=CH₂的吸收峰。

图7 两种溶胶的红外吸收光谱


结论


Conti报告了一种控制聚碳酸酯基材表面形貌的方法。使用混合溶胶和二氧化硅纳米颗粒,通过层层自组装制备双层膜。混合溶胶可以增强无机二氧化硅颗粒与聚碳酸酯底材的结合,顶层的混合溶胶以三角形几何排列,决定了涂层的粗糙度,最后发现粒径为70nm的混合溶胶制备的双层膜性能最好,水接触角达到了147°。


参考资料:

Conti J , De Coninck J , Ghazzal M N . Design of water-repellant coating using dual scale size of hybrid silica nanoparticles on polymer surface[J]. Applied Surface Science, 2018, 436:234-241.

撰稿人:朱英杰