基于SiO2气凝胶的自清洁材料的制备和表征

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自清洁材料是指在自然条件下可以维持自身表面的清洁,自动去除污渍,无须人工清洁,极大减少清洁成本的一类材料。自清洁材料的制备主要基于超疏水自清洁和超亲水自清洁两种原理。以甲基三甲氧基硅烷为前驱体制备的SiO2凝胶颗粒,具有疏水性好、比表面积大、稳定性高、孔隙率高、密度小、热导率低等优点,在各种领域具有广泛的应用价值。但是对于一些低表面能的液体不具有疏液性,降低自清洁效果。因此,本文基于SiO2气凝胶本身结构和在超疏水方面的优势,采用两种方法制备自清洁材料。主要研究内容和结论如下:(1)超双疏自清洁织物的制备和自清洁性能测试:采用溶胶凝胶法和常压干燥技术,以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前驱体,以乙二酸和氨水为催化剂制备疏水型SiO2凝胶颗粒,为了提升SiO2凝胶颗粒在使用过程中的牢度性能,使用γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)和氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)对SiO2凝胶颗粒分别接枝环氧基和氨基。研究发现经过改性后的SiO2气凝胶仍然具有纳米多孔网络结构。经过前处理的棉织物被浸渍在壳聚糖溶液中,表面带有大量氨基。自然晾干后,依次浸轧带上环氧基和氨基的SiO2凝胶颗粒的甲醇分散液,最后通过化学气相沉积法(CVD)或浸泡法将十三氟辛基三甲氧基硅烷(PFTMS)整理到织物表面。发现经过此类整理的棉织物对水滴、食用油、十六烷的接触角分别达到164°、157°、162°,表现出优异的超双疏自清洁性能。即使在摩擦12500次后,接触角仍在150°左右,具有一定的超双疏效果,同时具有优异的耐摩擦牢度。研究发现经过改性后,与CVD法相比,采用浸泡法处理的样品耐摩擦牢度更好。(2)光催化型超疏水自清洁材料的制备及在棉织物上的应用研究:多相半导体光催化剂TiO2具有无毒无污染、效率高、操作简便、反应条件温和、适用范围广等优点,在自清洁领域倍受青睐。但是在实际应用中,传统的TiO2粉末存在吸附性能差、易凝聚、回收困难、费用高等缺点。因此,本文选用SiO2作为TiO2的载体,制备SiO2-TiO2复合光催化剂。复合颗粒SiO2-TiO2具有比表面积大、氧化活性高、吸附性强、易回收等优点。以MTMS为前驱体制备疏水型SiO2凝胶颗粒,之后在其悬浮液中采用TiCl4低温苯甲醇醇解法原位生长TiO2,制备复合材料SiO2-TiO2。研究发现负载不同含量TiO2的两个样品SiO2-TiO2-A和SiO2-TiO2-B均为锐钛矿型结构,晶粒尺寸分别为4.0nm和3.5nm左右,在紫外区具有很强的光吸收,比表面积分别达到341.7m2/g和379.0m2/g。MTMS基SiO2凝胶颗粒表面带有大量CH3基团,具有纳米多孔网络结构,表现出较强的疏水性,同时SiO2有较大的比表面积,易于吸附有机污染物,当尺寸小、结晶完善的TiO2均匀分布在SiO2的表面时,可充分发挥TiO2的光催化降解性能。采用传统浸-轧-烘的方法,经复合颗粒SiO2-TiO2整理的棉织物水滴接触角达160°以上。经油酸沾染后,水滴接触角迅速减小为5°,但在紫外光的照射下该棉织物的水滴接触角能够恢复到160°左右,表明整理后的棉织物具有持久的自清洁性能。
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