高性能、高强度减反增透超疏水多功能薄膜的设计与构筑

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减反增透超疏水薄膜作为一种新型材料,不仅可以增加光的透射,还具有自清洁性能,在太阳能电池、智能玻璃、建筑或汽车玻璃、光学器件以及显示屏等领域具有广泛的应用前景,可发挥减少能源消耗,降低清洁成本,节约人力物力等作用。迄今为止,研究人员已经使用多种方法制备了各种减反增透或透明超疏水薄膜,但是大多数制备方法目前仍然局限于实验室研究,减反增透超疏水薄膜真正走向实用化仍然面临着一系列的挑战。  针对所面临的挑战,减反增透超疏水薄膜需要满足以下三方面的需求,第一,要求薄膜的制备方法和设备简单,原材料低成本,可以适用于任何基底;第二,薄膜应尽量兼具多种功能,例如,减反增透、超疏水、抗菌、抗微生物粘附、柔性等;第三,薄膜要具有高强度和强粘附力,使之能适应实际生活中复杂的环境。因此,设计和构筑高性能、高强度减反增透超疏水多功能薄膜具有重要的意义和价值。  本文正是基于以上的研究思路,采用简单的喷涂法,实现了在常温下获得高强度减反增透超疏水薄膜,并研究拓展了薄膜的多功能性,具体研究工作如下:  1.不需要高温处理的减反增透超疏水薄膜的制备  采用提拉法和喷涂法相结合在较低温度下制备了减反增透超疏水薄膜,可以应用于具有低玻璃化转变温度的透明塑料基底。涂覆薄膜的玻璃在300-2500nm波长范围内最高透光率可达96.0%,并且具有良好的超疏水性能,水接触角为164°,滚动角为1°。同时,在制备过程中通过添加聚乙烯醇来提高薄膜的强度,所得薄膜可以耐受水冲击和沙冲击。胶带测试表明薄膜与基底具有良好的粘附力。此外,涂覆薄膜的聚碳酸酯(PC)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)也均具有良好的超疏水性能和减反增透性能。  2.简单喷涂法制备在不同环境中均具有自清洁性能的高强度、减反增透超疏水薄膜  采用溶胶凝胶法制备了疏水二氧化硅溶胶,并进一步通过喷涂疏水二氧化硅溶胶与酸催化二氧化硅前驱体的混合液制备了在空气中、油中以及表面被油污染后均具有自清洁性能的高强度、减反增透超疏水薄膜。涂覆薄膜的玻璃具有良好的超疏水性能和减反增透性能,表面的水接触角为162°,在300-2500nm波长范围内最大透光率可达96.2%,比空白玻璃提高了约5%。同时,所制备的薄膜具有高强度,可以耐受水冲击、沙冲击以及刀刮测试。薄膜与基底之间具有强粘附力,可以耐受5H铅笔硬度,并且胶带粘附测试高达5A级。此外,所制备的薄膜在不同环境中均具有良好的自清洁性能,在空气和油中,水滴可以从薄膜表面滚落并带走表面灰尘,而当表面被油污染后,水滴从表面滑落带走灰尘。  3.基于CuO纳米粒子制备具有抗细菌粘附和杀菌性能的减反增透超疏水薄膜  通过喷涂CuO纳米粒子与疏水二氧化硅溶胶的混合液制备具有抗细菌粘附和杀菌性能的透明超疏水薄膜。涂覆所制备薄膜的玻璃在300-2500nm波长范围内的平均透光率可达93.0%,水接触角为160°,表明具有良好的超疏水性能。同时,涂覆薄膜的玻璃表面具有良好的抗细菌粘附性能,相比空白玻璃,其表面粘附的大肠杆菌密度显著降低。并且,活/死细菌染色实验表明涂覆薄膜的玻璃可以杀死粘附在其表面的大肠杆菌。此外,薄膜具有较强的的机械性能,可以耐受沙冲击,并且与基底的粘附力高达5A级。同时,所制备的薄膜可以应用于多种基底。
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