基于SiO_2气凝胶的自清洁材料的制备和表征

【摘要】：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。 【关键词】：自清洁 超疏水 光催化 SiO2气凝胶 TiO2
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ427.26
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 引言12
• 1.2 自清洁表面12-19
• 1.2.1 润湿性原理12-15
• 1.2.2 超疏水表面15-17
• 1.2.3 超亲水表面17-18
• 1.2.4 自清洁纺织品的研究进展18-19
• 1.3 SiO_2气凝胶概述19-22
• 1.3.1 气凝胶概述19-20
• 1.3.2 SiO_2气凝胶发展20
• 1.3.3 溶胶-凝胶法制备 SiO_2气凝胶20-21
• 1.3.4 SiO_2气凝胶的改性研究21-22
• 1.3.5 SiO_2气凝胶的应用22
• 1.4 TiO_2概述22-26
• 1.4.1 TiO_2简介22-24
• 1.4.2 TiO_2的光催化机理24-25
• 1.4.3 液相法制备纳米 TiO_225-26
• 1.4.4 纳米 TiO_2的应用26
• 1.5 本论文的研究意义及主要研究内容26-28
• 1.5.1 研究意义26-27
• 1.5.2 主要研究内容27-28
• 第2章 超双疏自清洁织物的制备和自清洁性能测试28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 实验部分28-34
• 2.2.1 实验材料和仪器28-29
• 2.2.2 改性 SiO_2气凝胶的制备29-33
• 2.2.3 棉织物的超双疏整理33-34
• 2.3 测试及表征34
• 2.3.1 SEM 分析34
• 2.3.2 TEM 分析34
• 2.3.3 EDS 分析34
• 2.3.4 疏液性测试34
• 2.3.5 织物表面薄膜的牢度性能测试34
• 2.4 结果与讨论34-40
• 2.4.1 SEM 分析34-36
• 2.4.2 TEM 分析36-37
• 2.4.3 EDS 分析37-38
• 2.4.4 自清洁性能测试38
• 2.4.5 牢度性能测试38-40
• 2.5 本章小结40-42
• 第3章 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42-57
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-44
• 3.2.1 试剂与仪器42-43
• 3.2.2 超疏水型光催化自清洁材料的制备43-44
• 3.3 测试及表征44-46
• 3.3.1 XRD 分析44
• 3.3.2 比表面积分析44
• 3.3.3 光学吸收性质测试44-45
• 3.3.4 TEM 测试45
• 3.3.5 EDS 分析45
• 3.3.6 SEM 分析45
• 3.3.7 光催化性能测试45-46
• 3.3.8 自清洁性能测试46
• 3.3.9 可重复利用性能测试46
• 3.3.10 紫外线防护性能测试46
• 3.4 结果与讨论46-56
• 3.4.1 XRD 分析46-47
• 3.4.2 比表面积分析47-48
• 3.4.3 光学吸收性质测试48-49
• 3.4.4 TEM 测试49-50
• 3.4.5 EDS 分析50-51
• 3.4.6 SEM 分析51-52
• 3.4.7 光催化性能测试52-53
• 3.4.8 自清洁性能测试53-54
• 3.4.9 可重复利用性能测试54-55
• 3.4.10 紫外线防护性能测试55-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第4章 结论57-58
• 参考文献58-65
• 附录65-66
• 撰写及发表论文情况66-67
• 致谢67-68

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