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改性水玻璃在构造超疏水自清洁表面方面具有潜在的应用价值添加时间:2018/08/16

水玻璃是一种用途广泛的化学材料,它的主要成分是Na2SiO3,通过实验得出水玻璃溶液经稀释后,其稳定性下降,稀释后的水玻璃放置数小时后会发生凝胶化反应而失去流动性。当水玻璃浓度较高时,碱性强,离子化程度高,因而分子间的静电斥力较强,小分子能够稳定存在。当稀释后,碱性降低时,≡Si—OH基团的数量增加,分子间发生亲核反应。分子间缩合反应不断进行,导致水玻璃溶液出现凝胶化现象。

在较强碱性条件下,由于≡Si—OH离子化形成的≡Si—O - 的静电稳定作用,有机硅的缩合产物会形成尺寸约500nm的球形粒子,干燥后表观形态呈粉状。

当甲基三甲氧基硅烷的水解液与水玻璃稀溶液混合时,有机硅单体在水玻璃的碱性催化作用下水解缩合,随着缩合反应的进行,会形成初级小粒子。同时,水玻璃成分也会由于碱性减小而形成SiO2初级小粒子。在没有水玻璃存在的条件下,有机硅初级粒子之间会继续缩聚,直到形成较大的球形粒子。在水玻璃存在条件下,水玻璃缩聚形成的亲水性SiO2初级粒子倾向于附着在甲基三甲氧基硅烷缩聚形成的有机硅初级粒子表面,阻碍了表面光滑的甲基三甲氧基硅烷球形粒子的形成。涂膜干燥过程中,混合液浓度增大,粒子间的距离减小,发生粒子间的团聚。水相中分散的有机硅水解物和水玻璃低聚体会继续在前面已经形成的团聚体表面沉积。最终形成了具有大量纳米级凸起的多孔粗糙表面。同时,MTMS 缩合物因为≡Si—OH基团的减少而具有较强的疏水性,在干燥过程中,疏水性有机基团≡Si—CH3会自发地向表面迁移,使涂层表面疏水。涂层表面的微观粗糙形貌和材料的疏水性结合的结果,使水玻璃与有机硅甲基三甲氧基硅烷混合溶液所形成的涂层表现出超疏水性。

超疏水表面主要有Wenzel型和Cassie型2种,Cassie型表面由于会将空气封闭在凸起之间,使水与表面间的范德华力很小,水极易在表面滚落而将表面的污物粒子带走。因而,只有Cassie型表面才具有类似于荷叶表面的性质,具有自清洁荷叶效应。在实验中发现,这种表面除具有超疏水性外,滚动角也很小。由于环保简便,这种方法在构造超疏水自清洁表面方面具有潜在的应用价值。

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