自清洁涂层制备工艺的研究与应用

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自清洁涂层因在清洁、防水、防污、防雾等方面有其独到的优势,而被广泛应用在建筑、船舶、港口等设施表面的防护。通常来说,自清洁涂层可分为两种:一是超疏水涂层;一是超亲水涂层。两者都为功能性涂层,只是在表达效果方面存在差异。超疏水涂层其表面接触角大于150°,通过水滴在其表面滚落带走赃物实现自清洁;超亲水涂层其表面接触角小于10°,通过水滴在其表面形成液膜渗透到脏物下面实现自清洁。本文从制备工艺出发,采用不同方法制备超疏水/超亲水自清洁涂层。研究内容如下:(1)以二氧化硅片和聚二甲基硅氧烷(PDMS)为实验材料,采用浇筑/剥离工艺制备超疏水涂层。通过对不同材料基底浇筑/剥离前后表面润湿性的检测,首次发现无需化学处理或者额外添加化学试剂,仅通过浇筑/剥离工艺室温固化即可实现PDMS对二氧化硅基底的粘附。使用AFM、EDS、椭偏仪等仪器检测来证实PDMS粘附层的存在,并从微观角度对其粘附性机理进行分析解释。根据此结果,将具有微结构的二氧化硅基底与低能材料PDMS相结合制备超疏水涂层。(2)以PDMS和疏水型SiO2为基本原料,制备了可用于建筑墙体防护的自清洁涂层。将配制好的涂层喷涂在建筑墙体上,通过室温固化,便可形成具有自洁净效果的涂层。本文通过分析涂层材料与建筑墙体结合机制,说明涂层与墙体具有较强的粘附作用。鉴于涂层具备超疏水特性,附着在涂层表面的颗粒及液体污染物很容易通过水流清洗干净。此外,实验还表明:该涂层在五个月户外环境下,其自清洁效果无显著的变化。(3)与传统意义上电荷在电场驱动下积累在固-液和液-气界面而导致润湿性变化的电润湿现象不同,本文首次发现电荷在电场驱动下注入并积累在固体表面而导致润湿性变化的现象。以水性清漆和疏水型SiO2为实验材料,使用喷涂法制备超疏水涂层。通过外加电场、温度将超疏水涂层转换为超亲水涂层。又通过加热方式将其润湿性恢复至超疏水,从而实现超疏水、超亲水之间的可逆转换。通过SEM、KFM、EDS等仪器检测涂层验证涂层润湿性变化是由电荷的注入、堆积至涂层表面,形成表面电势从而影响涂层表面润湿性。同时还探究了通电电压、通电时间、加热温度对涂层表面润湿性的影响。结果表明:涂层表面润湿性变化是由电压、温度、时间3种因素共同影响、相应促进。
摘要第3-5页
abstract第5-6页
1 绪论第10-20页
    1.1 引言第10-11页
    1.2 自清洁涂层表面特征参数及润湿性的理论依据第11-14页
        1.2.1 材料表面能、接触角定义第11-12页
        1.2.2 理论依据第12-14页
    1.3 国内外研究现状第14-18页
        1.3.1 超疏水涂层的应用第14-15页
        1.3.2 超疏水涂层制备方法第15-17页
        1.3.3 超亲水涂层的应用第17-18页
        1.3.4 超亲水涂层制备方法第18页
    1.4 本课题的意义及主要研究内容第18-20页
        1.4.1 本课题的意义第18-19页
        1.4.2 本课题主要研究内容第19-20页
2 PDMS选择性粘附层制备超疏水自清洁表面第20-36页
    2.1 引言第20页
    2.2 实验部分第20-23页
        2.2.1 材料与仪器第20-21页
        2.2.2 对四种不同基底进行浇筑/剥离工艺第21-22页
        2.2.3 超疏水自清洁涂层的制备第22页
        2.2.4 测试与表征第22-23页
    2.3 结果与讨论第23-31页
        2.3.1 基底宏观形貌和表面润湿性分析第23-26页
        2.3.2 EDS、AFM分析第26-27页
        2.3.3 PDMS粘附层的检测及形成机理分析第27-31页
    2.4 应用第31-34页
    2.5 本章小结第34-36页
3 可用于建筑墙体防护的超疏水、自清洁涂层第36-48页
    3.1 引言第36-37页
    3.2 实验部分第37-39页
        3.2.1 材料与仪器第37-38页
        3.2.2 超疏水自清洁涂层的制备第38页
        3.2.3 测试与表征第38-39页
    3.3 结果与讨论第39-43页
        3.3.1 覆盖有涂层的建筑墙体表面宏观形貌及润湿性分析第39-40页
        3.3.2 SEM、EDS分析第40-41页
        3.3.3 涂层对建筑墙体表面超疏性、粘附性分析第41-43页
    3.4 应用第43-47页
        3.4.1 涂层对颗粒污染物的防污性分析第43-45页
        3.4.2 涂层对水性污染物的防污性分析第45页
        3.4.3 真石漆基底防污性分析第45-46页
        3.4.4 涂层超疏水稳定性分析第46-47页
    3.5 本章小结第47-48页
4 电场诱导制备可实现超疏水/超亲水可逆转换自清洁涂层的研究第48-62页
    4.1 引言第48-49页
    4.2 实验部分第49-52页
        4.2.1 材料与仪器第49-50页
        4.2.2 超疏水自清洁涂层的制备第50页
        4.2.3 电诱导超疏水自清洁涂层转化为超亲水自清洁涂层第50-51页
        4.2.4 测试与表征第51-52页
    4.3 结果与讨论第52-60页
        4.3.1 超疏水涂层表面形貌与润湿性研究第52-55页
        4.3.2 电场诱导涂层表面润湿性变化第55-59页
        4.3.3 超亲水涂层-超疏水涂层的可逆转化第59页
        4.3.4 涂层的可逆耐久性研究第59-60页
    4.4 本章小结第60-62页
5 结论与展望第62-64页
    5.1 结论第62-63页
    5.2 展望第63-64页
参考文献第64-76页
附录 攻读硕士期间研究成果第76-78页
致谢第78页
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