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玻璃用疏水性自清洁涂料性能研究:玻璃用疏水性自清洁涂料是利用疏水自清洁的原理制备,中国玻璃网,meesm.com
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玻璃用疏水性自清洁涂料性能研究:玻璃用疏水性自清洁涂料是利用疏水自清洁的原理制备
2020年09月10日    阅读量:     新闻来源:中国玻璃网 meesm.com  |  投稿

0 前 言

自然界中普遍存在通过形成疏水表面来达到自 清洁功能的现象,例如以荷叶为代表的多种植物的叶 子和花、昆虫的腿和翅膀等均表现出低黏附、自清洁能 力,这种现象被称为 “荷叶效应”,荷叶效应的仿生学原 理是自清洁技术开发的基础。


利用仿生技术原理达到 自清洁表面的微结构设计,大量技术研究证实通过调 控表面微观结构设计(孔隙率、孔径、表面粗糙度)使表面具有更高的自清洁性能。近些年更多的自清洁材料 应用到涂料工业、建筑建材、车辆交通、纺织品,展现了 极大的应用前景中国玻璃网meesm.com


随着应用领域对水性涂料性能要求 的提高,高性能水性自清洁涂料越来越受到关注,纳米 粒子由于其特殊的性能应用于水性涂料中,不仅可以 制备出力学性能优异的纳米改性水性涂料,同时还可 以制备出抗菌、自清洁等功能性水性涂料。


本文研究的玻璃用疏水性自清洁涂料就是利用疏水纳米SiO2的疏水改性原理制备的。


目前,纳米SiO2的 制备方法主要有气相法(Chemical vapor deposition)、 水 解沉淀法(Hydrolysis sedimentation)、溶胶-凝胶法(Solgel)和微乳液法(Micro-emulsion),其中气相法属于干 法,其余方法属于湿法[2]。本文将从这种玻璃用疏水纳 米SiO2自清洁涂料的耐沾污性能、光学性能、物理性 能、老化性能进行研究。


1 实验部分

1.1 实验材料

1.1.1 疏水自清洁透明玻璃制备

实验用涂料基本配方:SiO2、十六烷基三甲基硅 烷,长兴材料工业股份有限公司。 利用溶胶-凝胶过程形成纳米颗粒,通过浸涂、提 拉附着到玻璃底材(符合GB 11614—2009[3]的平板玻 璃)上,尺寸150 mm×70 mm×5 mm、430 mm×150 mm×5 mm,再经过低表面能有机物修饰,制备成疏水自清洁 透明玻璃。 平板玻璃:标格达精密仪器(广州)有限公司。

1.1.2 普通白玻璃

符合GB 11614—2009的平板玻璃,尺寸150 mm× 70 mm×5 mm。

1.1.3 亲水助剂自清洁玻璃

外购涂有TiO2自清洁亲水助剂透明玻璃(底材采 用符合GB 11614—2009的平板玻璃),尺寸150 mm×70 mm×5 mm。

1.2 实验设备及器具

接触角测量仪(Data Physics),耐洗刷试验仪,3M 清洁擦拭布,氙灯老化仪(ATLAS),分光光度计(GO2000),激光显微成像拉曼(Thermo Fisher DXR)。

1.3 结构表征与性能测试

1.3.1 接触角

采用接触角测定仪测量试样表面与去离子水 的静态接触角,实验温度为(23±2) ℃,相对湿度为 (50%±5%),注射体积为4 μL(水滴流速约为0.5 μL/s)。 为了减小误差,选取5块疏水自清洁透明玻璃试样,每 个样品表面取5个点进行测量,取算术平均值作为测 试结果。

1.3.2 耐沾污性能

按GB 9780—2013涂刷法B法(快速烘箱法),分 别对上述1.1中的3种玻璃做一次耐沾污循环。

1.3.3 耐洗刷性能

在(500±10) g负荷(包含3M清洁擦拭布)下,用浸泡 过自来水的3M清洁擦拭布按(37±2)次/min的速率对上 述疏水自清洁透明玻璃做连续往返擦洗2 000次。

1.3.4 光学性能

测试参数参照GB/T 2680—1994《建筑玻璃 可见 光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫 外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》;ISO 9050: 2003 《建筑玻璃 可见光透射比、太阳光直接透射比、 太 阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测 定》(E)对上述1.1.1疏水自清洁透明玻璃及1.1.3亲水助 剂自清洁玻璃。

1.3.5 耐老化性能

按照GB/T 1865—2009,进行氙灯人工气候加速 老化试验,老化时间为168 h、250 h、400 h并对老化前 后接触角进行测试。

1.3.6 激光显微成像拉曼结构表征

通过激光显微成像拉曼对老化前后的样板进行 结构分析。


2 结果与讨论

2.1 疏水自清洁透明玻璃的静态接触角

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分别对5块试样的静态接触角进行测试,结果如 表1所示。

疏水自清洁透明玻璃的静态接触角

从表1可以看出,水滴在涂层上有较大的接触角, 涂层具有良好的疏水性能。


2.2 耐沾污性能

一次沾污循环后,可直观看到3种不同涂层的耐 沾污性能。结果如图1所示。

疏水自清洁透明玻璃、普通白玻璃、亲水助剂自清洁玻璃耐沾污性

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由图1可以看出,疏水自清洁透明玻璃涂上粉煤 灰污染物,污染物呈 “水滴”型存在,普通白玻璃上粉 煤灰污染物呈均匀稀薄形式存在,而亲水助剂自清洁 玻璃上粉煤灰污染物呈均匀致密形式存在。经过一次 循环后,疏水自清洁透明玻璃经冲刷后会存在一些类 似 “咖啡杯”形状且比较轻的粉煤灰污垢痕,普通白玻 璃上粉煤灰污染物污痕较轻、均匀,而亲水助剂自清 洁玻璃粉煤灰污染物的污痕仍然比较厚重。明显看出 疏水自清洁透明玻璃具有较好的耐沾污性能。


2.3 耐洗刷性能

实验室测试了疏水自清洁透明玻璃在耐洗刷 2 000次前后的接触角。结果如表2所示,经过2 000次 洗刷,涂层的接触角出现明显下降,这表明疏水自清 洁透明玻璃具有较差的耐擦洗性能,而这种人工构建的自清洁表面暂无法做到真正的仿生效果,无法实现 持续保持良好的疏水自清洁性能。

耐洗刷前后接触角对比

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2.4 光学性能

实验室对比了普通白玻璃和疏水自清洁透明玻 璃的光学性能,测试结果如图2。

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耐洗刷前后接触角对比

由于建筑物外墙的自清洁玻璃既要有疏水自清 洁性又要有保证透明性,由图2可见疏水自清洁透明 玻璃与普通白玻璃在紫外线透射比、反射比;可见光 透射比、反射比;太阳光直接透射比、反射比都具有一 致性,并无本质差别。所以涂有疏水性自清洁的涂层 玻璃并不影响原玻璃的光学相关参数,保证了玻璃原 有的透明性。


2.5 涂层的耐老化性能

2.5.1 加速老化对涂层表面水接触角的影响

疏水自清洁透明玻璃的疏水涂层在户外实际应 用过程中,涂层表面疏水物质易流失或受到太阳光照 的作用涂层丧失疏水性,不能继续长久保持涂层具有 的自清洁能力。实验将制备好的涂层放置于加速老化 箱中进行老化测试,并对老化前后接触角进行测量, 测量结果如图3。

加速老化对疏水自清洁透明玻璃涂层表面水接触角的影响

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由图3可以看出当老化250 h后涂层表面接触角仍 然保持超疏水性,同时,在加速老化过程中涂层未出 现粉化、起泡、裂纹、脱落的现象。随着加速老化时间的增加,涂层表面水接触角出现明显变化,降低至58°。 这就说明疏水性自清洁涂层在实际生产应用中存在 一定的局限性,开发制备提高疏水性自清洁涂料耐候 性是以后发展的一个方向。


2.5.2 老化前后拉曼结构分析

由于随着老化时间的延长,接触角的明显下降, 疏水性丧失,实验室进行了老化前后拉曼对比分析, 如图4所示。

 老化前后拉曼分析

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从图4可以看出,疏水自清洁透明玻璃原样和老 化250 h后样品的两条谱线呈现相似的振动模式,这说 明,老化250 h对样品的结构并没有造成影响,而老化 400 h,样品结构出现了较大的改变,这与我们上述描述的接触角随老化时间的变化相吻合。


且拉曼位移与文献报道的结果也有较好的吻合,表2所示为图2拉曼位移位置与特征峰。原样和老化250 h的特征峰为3 个,其表面的Si—O—Si(562 cm-1和1 095 cm-1)和Si—CH3(2 429 cm-1)是组成样品疏水性主要特征峰,而老化400 h后3个特征峰中Si—O—Si(562 cm-1)Si—CH3(2 429 cm-1)消失,1 095 cm-1缩减成一个弱峰,所以由此推断样品不再具有疏水性。

拉曼位移与特征峰

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3 结 语 本文通过对玻璃用疏水性自清洁涂料的性能和 结构的研究,表明玻璃用疏水纳米SiO2自清洁涂料具 有良好的疏水性、耐沾污性和光学参数的保持性,非 常适用于玻璃涂层的使用,但是在耐擦洗和老化持久 性方面存在一定的局限性,研究出更加持久的自清洁 涂层将会是研究领域的方向标,从而为玻璃用疏水性 自清洁涂料实际工程的使用奠定基础。


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