超亲水性范文

超亲水性范文（精选6篇）

超亲水性 第1篇

在本届展会上, 华大水性树脂一经推出立即在业界引了极大的反响, 前来展位洽谈、询问的客户络绎不绝, 就连在合成革领域处于绝对领先地位的日本同行, 也对中国的合成革企业刮目相看, 日本权威的皮革媒体前来采访报道。烟台华大化学工业有限公司负责人向记者表示, “华大的水性超纤完全处于技术的前沿, 通过我们的不断努力, 不仅能够生产水性树脂, 更重要的是我们已经实现了从树脂到合成革的应用, 实现了水性树脂的产业化。”

据了解, 以水为介质, 区别于以往溶剂为介质的聚氨酯树脂, 解决了溶剂挥发带来的污染问题。用水性树脂做出的超纤基布, 具备以下优势:工艺环保, 生产过程没有溶剂挥发, 不会对环境造成危害;基布密度大, 仿真皮感更强, 手感更接近于真皮;卫生性能优异, 并且透气、透湿;超纤基布的染色性能更好, 染出的基布颜色更加鲜艳, 更加均匀, 更易于控制。

人工滨水景观的亲水性设计 第2篇

【关键词】滨水景观；亲水性；人性化

1 滨水景观及亲水性的意义

滨水景观，从字面上看，可以理解为临水而建的景观。滨水景观是景观设计的重要组成部分，它在景观设计中的地位归根到底还是与水对人类的重要性有关。“水是万物之源”，也就是说，水体孕育了大多数生物，很久以来人类的生产生活都是选择临近水源的滨水地区，可见水对人类产生的巨大影响。

滨水环境不仅拥有丰富完善的自然生态系统和资源，还运用自身的生态条件创造了优美的自然风景。在经济高度發展的今天，虽然人类的生活水平大幅提高了，随之而来的污染也对水环境造成了很大的影响，引起了人们的高度重视，人们不再单纯的满足于生活水平的提高，更多的是对生活的品质和精神层面的追求，因此，滨水空间的景观设计是否具有亲水性成为滨水景观能否吸引游客的关键要素之一。

所谓滨水景观的亲水性，一般来说，可以简单解释为亲近水体，与水体相互接触，从而更全面的观赏水景的意思，具有人的视觉和听觉，以及触觉、体觉等方面对滨水空间内水体环境的感知。从更深一层的方面来说，亲水性的含义除了具有景观观赏方面的意义，还具有生态性的意义，现在的滨水景观在亲水性方面的设计，强调的是景观观赏与自然生态的并存，这也是是人们对于亲水性的更高的期望，通过这种景观氛围的营造，最终来满足人们心理上及精神上对滨水景观的需求。

2 目前我国滨水空间亲水性存在的问题

2.1 设计形式单一

在现代设计的领域，西方由于经历了种种的近现代设计运动，设计成果相对而言比我国要先进一些，因此，国外的设计往往被拿来作为设计的典范，但是，就目前滨水景观设计的形式来看，我国大多数滨水景观虽然在其亲水性方面给予了一定的重视，但在其形式的设计方面多数一味地追求现代化，或单纯的模仿国外的滨水景观形式，而忽视了自身的地方特色和历史人文特色，造成了设计主题不明确，设计功能不符合当地需求的结果。

2.2 缺乏人性化

由于设计形式的单一化，从而忽视了景观设计以人为本的设计理念。虽然滨水景观的亲水性的根本目的是为了满足人们亲水的心理需求，但是由于景观的商业化和形式化，滨水空间亲水设施往往只是大面积的绿地或是在没有考虑到游人亲水活动及活动心理的情况下设置的，缺乏对不同年龄段游人心理的研究，使游人与水体之间没有得到真正意义上的互动，从而减少了亲水活动对游人的吸引力，最终导致亲水性设计的失败。

2.3 缺乏有效管理

一般来说，滨水景观要具有开放性，才能把其亲水性更好的展现给游人，是亲水性的前提。但由于滨水景观的开放性，部分游人缺乏自觉维护的意识，可能对亲水设施有破坏性的行为，若没有适当的管理措施，一方面，对于水体的水质有所影响，部分水体甚至出现干涸的情况，另一方面，对于整个滨水环境及亲水设施造成了严重的破坏。

3 有效实现滨水景观亲水性的途径

3.1 驳岸设计

驳岸是滨水环境中陆地和水体的连接部分，它拥有最丰富的生态资源，是景观亲水性能否充分实现的重要途径之一。对于驳岸的设计，要结合原有的驳岸形态，考虑到现在人们对于自然生态环境的向往，要尽量保持原有岸线形态，若需要人工改造，在充分考虑到驳岸生态性和安全性的前提下，一般可以设计为自然曲折的形式，在水位较低的水域还可以适当地降低驳岸的高度，拉近游人与水体之间的距离，如自然式生态护坡，这种驳岸形式不仅可以增加滨水景观的亲水性，还可以根据水位的涨落进行自我调节，适当地对防洪起到了一定作用。但驳岸的设计形式不能仅仅局限于自然形式，还可以适当地采用多种人工设计形式，辟如亲水栈道，亲水平台等。

3.2 亲水小品设计

滨水景观的亲水小品是亲水性设计的点睛之笔，是除了驳岸等硬质景观之外的软质景观，滨水景观对游人是否具有吸引力在很大程度上也是在于亲水小品是否亲水和新意。在人工设计的滨水景观中，往往可以根据滨水景观的类型以及各个年龄段游人的需求设置小品，如亲水座椅，亲水雕塑，漫水桥，景观绿化等。在亲水小品形态的设计上，可以根据地方历史和人文特色进行设计，或运用具有地方特色的设计元素对其进行装饰。

3.3 空间环境设计

滨水景观的空间是游人进行游憩活动的承载空间，是滨水景观设计的主体，整个滨水景观是否具有亲水性可以根据驳岸，小品以及最主要的空间环境的设计来判定，在对滨水空间环境进行设计时，既要根据不同功能需求划分多样性的空间，又要考虑到滨水区的自然环境承载能力而不能使空间环境过于繁复。其功能区的划分可以包括滨水步道，娱乐休闲区，健身活动区，滨水观景区等，除此之外，对于管理区的设置也很重要，管理设施可以方便维护整个滨水空间环境及设施，还可以为其空间的安全性提供帮助。在滨水空间环境的设计中，还可以利用旱喷广场或亲水小品适当的把水体引到岸上来，如浅水池，叠水等与水体相呼应的元素，形成一个可以使游人与水体充分互动的滨水开放空间。

3.4 日本人性化的设计对亲水性设计的启示

日本的设计素来以人性化著称，不管是工业设计还是景观设计都可以感觉到细腻的设计情感，对于景观的设计，日本人擅长把自然景观浓缩到精心组织的园林景观中，体现了其对自然景观的钟爱和细心挖掘，比如植物的配置和栽种是经过精心挑选和修剪过的，运用细腻的水面的波动引起人的遐思，石材的选择也是遵循人工自然化的理念，这些都表明日本对自然的感悟是丰富且特殊的，这样的感悟使日本的设计充满了精心和细致，也使它现代的景观设计既满足了社会的发展，又处处充满着人性化的影子，并且延续了日本的传统特质。滨水景观的亲水性同样的追求的是以人为本的人性化设计理念，在追求细腻的同时，还应该不忘对地方特色的挖掘，要在真正意义上做到具有特色的人性化设计。

超亲水性 第3篇

TiO2是一种重要的无机化工材料,它良好的光敏、气敏和压敏等特性,特别是光催化特性,使它在太阳能的储存与利用、光电转换器、有机污染物的环境处理以及各种传感器等方面有着广泛的应用前景[1,2,3,4,5,6,7]。自从Wang等[8]报道了紫外光照下纳米TiO2薄膜可产生超亲水性以来,利用这种特性可制造不用擦拭的汽车后视镜、防水汽和防污的玻璃、抗菌的超亲水性陶瓷等,使其应用范围更加广泛。TiO2薄膜的亲水性是指TiO2表面对水的强吸附现象。有关TiO2薄膜的光致亲水性及其机理的研究,是目前研究的一个热点[9,10]。掺杂和用染料敏化是TiO2薄膜改性中最常用的方法。本文介绍一种采用溶胶-凝胶法,制备了掺杂Cu的TiO2薄膜,并对其光致超亲水性及薄膜的电化学性质进行了研究。

1 实验过程

1.1 溶胶-凝胶法制备薄膜

室温(20℃左右)下,按钛酸四丁酯∶无水乙醇∶冰乙酸=5∶15∶1的比例,将 Ti(OC4H9)4于剧烈搅拌下滴加到无水乙醇中,再滴加入的冰乙酸,经过15~20 min的搅拌,就得到均匀透明的淡黄色溶液A;称取一定量的硝酸铜,再按水∶ 无水乙醇∶硝酸铜=2∶20∶1的比例,在二次蒸馏的水和无水乙醇配成的溶液中于剧烈搅拌下缓慢滴加入硝酸铜溶液,得到溶液B;再于剧烈搅拌下将称取一定量的硝酸铜溶液B以约1滴/s的速率缓慢滴加到溶液A中,继续搅拌l h,得到Cu/Ti摩尔比为0.001,0.002,0.003,0.005,0.008的溶胶。将溶胶用于制备薄膜,采用旋涂法分别在ITO和玻璃表面制备TiO2∶Cu薄膜,其转速为1 000 r/min,旋涂时间为1 min。每次旋涂结束后立即放入100℃的烘箱中干燥10 min,然后取出冷却至室温,重复上述操作,制备出Cu/Ti摩尔比不同的薄膜。

1.2 性能测试

薄膜的亲水性用 CCD电子显微镜,通过测量水滴与薄膜表面接触角的大小与紫外光照射时间的关系来表征薄膜的亲水性。薄膜的接触角由测得体积为1 μL的小水滴在薄膜表面形成的球冠直径计算得到[10]。紫外光的波长为365 nm;ITO/TiO2∶Cu电极的循环伏安特性通过三电极法测量,实验中,R电极作对电极,饱和甘汞电极(SCE)作参考电极。工作电极的有效面积均为0.5 cm2。实验在0.5 mol/L的硫酸钠溶液中进行。

2 结果与讨论

2.1 超亲水性

用CCD电子显微镜测得TiO2∶Cu薄膜的样品在在紫外光照射前后对水的接触角如图1所示。

不同掺杂浓度的TiO2∶Cu薄膜的水接触角随紫外光照射时间的变化关系如图2所示。由图可见:经1 h的紫外光照射后,掺杂适量Cu(Cu/Ti摩尔比分别为0.002)的薄膜表面与水的接触角迅速减小,接近于0°,说明紫外光对其有较强的激活能力,该TiO2∶Cu薄膜具有较好的亲水性。而掺杂过少或过多(0和0.008)的薄膜表面与水的接触角仍大于2°,说明掺杂过少或过多都不利于亲水性的改善,而只有适量掺杂才能提高薄膜的光致亲水性。TiO2∶Cu薄膜在停止光照24 h后,经过观测接触角仍为1.5 ~ 3°,能较长时间保持其亲水性。

2.2 电化学性质

TiO2∶Cu/ITO电极在紫外光照射之前和照射1 h后的循环伏安曲线图如图3所示。从图3(c)中可见,摩尔比为0.002的TiO2∶Cu薄膜电极经紫外光照射1 h后,在阳极光电流曲线上出现一新的氧化峰,表明在电极表面出现了一新的活性物质;而摩尔比为0.008的电极(图3(d))却没有出现氧化峰。掺杂摩尔比为0.002的电极的氧化峰明显高于未掺杂的电极(图3(b)),前者的氧化峰的峰电流为1.754 μA,后者的峰电流为0.604 μA。该氧化峰可能是与薄膜的超亲水性密切相关的在紫外光照射过程中不断累积的Ti3+[11]。由此说明:摩尔比为0.002的TiO2∶Cu薄膜,在紫外光的照射下有利于提高表面Ti3+的浓度,使薄膜具有更好的超亲水性。

不同掺杂浓度的电极经紫外光照射1 h后阳极峰电流如图4所示。峰电流随掺杂浓度的增加而增强,掺杂的摩尔比为0.002时电极的峰电流最强,随掺杂浓度的继续增加峰电流则逐步下降。此变化趋势与薄膜的光致超亲水性变化趋势相对应,说明电极经紫外光照射一定时间后所产生的氧化峰可能是引起薄膜具有超亲水性的Ti3+形成的峰。

3 结 论

用溶胶-凝胶法在玻璃基

板或ITO上制备了不同掺杂浓度的TiO2∶Cu薄膜。与纯TiO2薄膜相比,掺入适量的Cu (Cu/Ti摩尔比分别为0.002)后,薄膜的光致亲水性明显提高,经紫外光照射1 h后,水接触角接近于0°。三电极循环伏安特性测试结果表明,掺入适量的 Cu (Cu/Ti摩尔比分别为0.002)的电极在紫外光照射一定时间后,阳极电流上出现一较强的氧化峰,这可能是电极表面富集的Ti3+形成的峰。

摘要：通过溶胶-凝胶方法分别在ITO和玻璃表面制备了TiO2∶Cu薄膜,研究了TiO2∶Cu薄膜在365 nm的紫外光照射下的光致超亲水性及在Na2S04电解溶液中的循环伏安行为,研究了掺杂浓度对薄膜的光致超亲水性的影响。结果表明,在紫外光的照射下,TiO2∶Cu薄膜电极表现光电化学过程及光致超亲水性,原因在于在紫外光照射下TiO2∶Cu薄膜的超亲水性变化与产生TiO3+的过程引起的表面微观结构变化存在一定的内在联系。与纯TiO2薄膜相比,掺入适量Cu(Cu/Ti摩尔比:0.002)后的薄膜具有更好的光致超亲水性和较强的峰电流。经1 h的紫外光照射后,该薄膜的水接触角接近于0°,峰电流达1.754μA。

关键词：TiO2薄膜,紫外光,循环伏交,光电化学,亲水性,掺杂

参考文献

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超亲水性 第4篇

1理论背景

将液体滴在固体表面时, 由于表面张力的作用, 固-液-气三相达到能量的平衡, 液体与固体表面形成一个夹角。在固-液-气三相交点处作气液界面的切线, 此切线与固液交界线之间的夹角, 即为接触角。通常, 人们把和液滴接触角>150°的表面称为超疏水表面, 把和液滴接触角<5°的表面称为超亲水表面。

1805年, 托马斯杨的研究揭示了三相表面张力与接触角的关系, 见式1。式中, γSG代表固-气表面张力, γSL代表固-液表面张力, γLG代表气-液表面张力。随着固-气表面张力和固-液表面张力的增加, 液体必须更大程度的润湿表面, 获得更小的接触角以使气-液表面张力在水平方向获得更大的分量, 达到三相张力的平衡。

γSG = γSL + γLGcosθ (1)

Wenzel指出, 当液体和固体表面完全接触时, 表面粗糙的微观结构会导致液滴与表面的实际接触面积大于投影面积, 而改变实际接触角的大小。式2中, θW代表液滴与固体表面实际形成的接触角, θ代表液滴在完全平整的表面上形成的接触角, r代表实际接触面积与投影面积的比值。从式中可以看出, 当材料疏水 (接触角>90°) , 粗糙表面的实际接触角会大于平整表面的接触角, 使表面更疏水;当材料亲水 (接触角<90°) , 粗糙表面的实际接触角会小于平整表面的接触角, 使表面更亲水。

cosθW = rcosθ (2)

而Cassie和Baxter的研究表明, 当液体无法完全接触固体表面时, 实际接触角θCB的计算如式3所示。式中, f1表示液体与固体表面实际接触面积所占的比例, f2表示液体底部与气体接触面积所占的比例。当材料疏水时, 由于液体无法接触到微观凹凸表面的底部凹面, 固体表面表现出Cassie-Baxter特性。超疏水的表面, 由于更少的接触面积和更大的接触角, 使液滴具有更大的运动性, 而呈现类似“莲花效应”的自清洁功能。

cosθCB = f1cosθ-f2 (3)

2防雾性能

雾的本质是水汽凝结物。大自然中的雾, 是由于气温达到或非常接近露点温度时, 空气中的水汽凝结成液滴而形成的。在薄膜、玻璃等固体表面上形成的雾, 则是由于空气接触低于露点温度的固体表面或湿度的增大导致露点温度升高而使水汽凝结成液滴导致的。

当雾气凝结在透明的物体表面时, 会对光线的透过造成很大的影响。在驾驶汽车或使用眼镜、潜水镜、电子显微镜等时, 由于雾气阻碍了光线的穿透, 影响了使用者的视线。当雾气凝结在农用薄膜、太阳能装置等必须最大程度利用太阳光线的设备上时, 极大的降低了其使用功效。

雾气影响光线穿透而阻挡视线的原因, 从微观上讲, 是由于光线穿过雾滴时, 在气-液界面上发生的折射与反射。根据Snell法则, 光线在通过不同介质发生折射时, 折射角的正弦值与介质折射率成反比。当光线射出液滴进入空气时, 由于空气的折射率相较水低, 折射角大于入射角。当入射角持续增大使得折射角大于90度时, 界面上实际发生的是全反射。

接触角不同的液滴, 对于同样光线的入射角不同接触角越大, 入射角越大。在整个液滴宽度里, 发生全反射的比率随接触角的增大而增加, 由此降低了材料的透光率。另外, 由于雾滴折射光线而增大了雾度, 同样导致视觉上的模糊。

通过降低表面雾滴接触角的方法, 能减少其对光线的折射和全反射, 是实现防雾的有效手段。根据Wenzel原理, 在一个亲水的表面引入一定的粗糙度时, 能使其更加亲水而更大程度减小雾滴接触角, 而达到更佳的防雾效果。

对于薄膜类产品, 通常通过在材料表面涂布亲水性高分子材料和表面活性剂以增加材料的表面能和润湿性, 并引入亲水性纳米粒子以形成粗糙表面, 共同达到超亲水的效果。常用的高分子材料有PVA (聚乙烯醇) 、PAA (聚丙烯酸) 等亲水性高分子。有时候, 会在其中增加一层多孔涂层, 以更有效的分散水分, 增强防雾性能。

去除雾气的另一种方法是对流。由于对流能够加速固体表面液体的蒸发, 最终能将凝结的雾气去除。目前, 汽车工业解决挡风玻璃起雾通常使用这种方法。

3在医疗行业的应用

临床上佩戴口罩的目的, 在于为接受处理的患者和实施操作的医护人员提供防护, 阻止血液、体液和飞溅物的传播。通常所使用的口罩, 仅提供了对鼻部和口部的防护。而当所进行的操作存在产生飞溅物的可能性时, 对医务人员眼部粘膜的保护变的极其重要。目前, 主要采用装置有透明薄膜的口罩或独立的眼镜/面罩来实现。

透明薄膜、眼镜和面罩为医护人员提供了眼部的防护, 避免带菌飞溅物感染眼部。然而, 在操作中, 医护人员和患者呼吸产生的热气、空气中的潮气, 在接触薄膜或眼镜表面时, 均容易暂时凝结在上面, 形成雾滴, 阻碍了光的穿透, 极大的影响了医护人员的作业。因此, 产品中使用的透明薄膜的防雾性能, 是决定产品有效性和功能性的关键部件。

值得一提的是, 很多防雾涂层的性能对于储存环境及其敏感。在温湿度较高的环境下, 防雾性能下降迅速。由于大部分口罩成品不采用独立的防潮包装, 在存储、运输过程中可能会暴露在较高温湿度的环境里, 防雾性能的稳定性显得至关重要。

我们将3M 9966高性能亲水防雾薄膜放置在50℃/RH90的老化环境下, 每天取出样品测试其防雾性能。9966在第5天取出时, 仍保持良好稳定的防雾性能。

另外, 由于处于操作部位和医护人员眼睛之间, 薄膜本身的光学性能成为产品发挥作用的前提条件。对薄膜清晰度产生影响的光学性能主要为透光率和雾度。透光率表征了透射光与入射光的比值, 越大说明被反射的光线越少。雾度表征了在透射光中, 被散射而无法最终进入医护人员眼睛的光线的比率。这两项性能的综合表现反映了在此应用中薄膜光学性能的优劣。

图1显示了在可见光范围内, 9966的透光率表现。可以看到, 9966在400到800纳米波长范围内, 基本处于90%到92%之间, 优于同类产品。这不仅有助于医护人员清晰的看到操作部位, 也减少了因薄膜眩光导致的眼部疲劳。

雾度的高低直接反映为产品的观感, 雾度较高的透明薄膜, 看起来不清晰、不通透, 在使用中不易看清操作部位并容易引起眼部疲劳。9966的雾度在0.2左右, 是一款雾度较低的产品。

4总结与展望

在医用防护领域, 为了兼顾对操作者的个人防护和产品功能性的完好, 使用防雾薄膜作为面部防护产品的组件已成为主流。通过超亲水涂布技术对透明薄膜进行处理, 已能获得性能优异而稳定的产品。然而, 由于防雾涂层在经触摸或沾染液体后性能有所下降, 不宜重复使用。

出于对医护人员职业防护的重视, 一次性防雾口罩/面罩类产品, 在很多发达国家的医院和诊所已得到广泛的应用。在世界上知名的医疗器械/耗材企业的面部防护产品线中, 均有此类产品。

在中国, 由于成本和认识上的原因, 医护人员多重复使用独立于口罩的防护眼镜和面罩。由于重复使用后的清洗, 薄膜防雾性能几乎完全丧失, 对操作效率和准确性产生较大的影响。随着医疗水平的提高, 有理由相信, 包括防雾口罩/面罩在内的中国一次性医疗防护产品市场将会得到长足的发展, 为医疗产品企业开拓出广阔的天地。

摘要：从表面润湿的基本原理、雾气形成的原因以及在应用中产生的危害和影响, 论述了防雾处理技术的重要意义。针对医疗眼部防护这一具体的应用, 详细阐述了用于该应用的防雾薄膜产品所应具有的各项性能以及其在实际使用中达到的效果。

关键词：防雾,薄膜,医疗,手术口罩

参考文献

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仿生超疏水性表面及其制备研究进展 第5篇

1 超疏水性表面的制备方法

1.1 机械拉伸法

韩春燕等[3]通过拉伸聚四氟乙烯薄膜得到一个空气比例很高的纤维晶体表面,表现出优异的超疏水性能,同时他们认为这种超疏水性能归因于表面大的空气分形维数的出现,该方法简单而有效。

1.2 刻蚀方法

刻蚀是一种最直接和有效的构造粗糙表面的方法。刻蚀方法包括:等离子体刻蚀、激光刻蚀、化学刻蚀,这些方法在过去几年已经被大量的使用在构造仿生超疏水性表面上。例如,Sugimura [4]等借助于选择性的氧等离子刻蚀和使用四甲基硅氧烷作为前驱体进行等离子辅助化学气相沉积的方法制备出了透明的超疏水性表面(图1)。利用激光刻蚀技术,江雷研究小组[5,6]制备出类荷叶微纳米二元结构、单纯具有纳米结构的阵列碳纳米管超疏水薄膜以及具有微米-次微米-纳米的复合结构聚二甲氧基硅烷(PDMS)超疏水性表面。刘维民等[7,8,9]采用化学刻蚀在铝、铜、钢等工程材料表面腐蚀出微/纳米复合结构,再用低表面能含氟或硅的材料修饰,成功地在工程材料表面构造出与水接触角为165°、滚动角约4°的超疏水性表面。湿法刻蚀采用化学腐蚀,工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。

1.3 模板法

模板法制备超疏水性表面具有操作简单、重复性好、纳米线径比可控等优点。江雷等[10]以多孔氧化铝为模板,通过模板挤压法制备了聚丙烯腈纳米纤维,该纤维表面在没有任何低表面能物质修饰时即具有超疏水性,与水的接触角可高达173.8°。另外,该课题组用类似的模板挤压法,以亲水性的聚乙烯醇(PVA)为原料制备出超疏水的纳米纤维表面(图2),纤维表面与水的接触角大于170°[11]。研究认为产生这一奇特现象的原因在于PVA分子的构象在表面发生了重排,亲水性基团形成向内的分子间氢键,使得疏水的CH2基团向外,导致整个体系的表面能降低。这是文献中首次以亲水物质制备超疏水表面的报道, 打破了传统上只能利用疏水材料才能得到超疏水性表面的局限性,扩大了制备材料的应用范围,但是文中并未研究该表面的接触角滞后。此外,他们[12]还采用软模板印刷法制备超疏水性聚苯乙烯(PS)膜,得到微米-亚微米-纳米分级结构,拓展了聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯等热塑性聚合物在超疏水性表面上的应用。

1.4 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法属于“湿化学”合成法,是目前制备多孔材料和有机-无机杂化材料常用的方法,它是将烷氧基金属或金属醇盐等前驱物在一定的条件下水解-缩合成溶胶,然后经溶剂挥发或热分解使溶胶转化为网状结构的氧化物凝胶。溶胶-凝胶方法工艺简单、设备低廉,反应过程易于控制,尤其是在薄膜制备方面,不需要真空条件和太高的温度,而且可以在大面积或任意形状的底物上成膜,更显示出独特的优越性,因而溶胶-凝胶法越来越受到研究人员的青睐。

Rao等[13]以甲基三甲氧基硅烷为前驱体,在甲醇溶液中,氨水为催化剂,得到的粗糙硅气溶胶表面的接触角可达170°。用类似的方法,Shirtcliffe等[14]也得到了形貌相似的超疏水性表面。曲爱兰课题组[15]通过溶胶-凝胶法制备出不同粒径和形状的SiO2粒子,并利用氟硅氧烷的表面自组装功能制备出类似草莓结构的超疏水涂膜,与水的静态接触角达173.3(图3),滞后角几乎接近0°。研究表明,单纯的粗糙度因子不能反映水接触角的变化,复合粒子在膜表面的无规则排列赋予涂膜表面不同等级的粗糙度,使得水滴与涂膜表面接触时能够形成高的空气捕捉率和较小的粗糙度因子,加上氟硅氧烷能在涂膜表面形成自组装分子膜,这些作用共同赋予了涂膜超疏水性能。

1.5 电纺法

通过简单的电纺技术,江雷等[16]制备出具有多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水性PS薄膜(图4a),多孔微球对超疏水性能起主要作用,纳米纤维起固定多孔微球的作用,该膜与水的接触角达到160.4°。采用该方法,Kang等[17]也制备出超疏水性PS薄膜。此外,Ma研究小组[18]采用电纺法得到PS-g-PDMS和PS共纺的无纺布,与水的接触角可达到163°,该无纺布由尺寸为150~400nm纤维构成,且纤维表面富集PDMS(图4b)。该纤维透气性好、柔韧、超疏水性等优点使它在纺织和生物领域有很大的潜在应用价值。因此,制备超疏水性纤维,电纺法是一种很有潜力的方法。

1.6 溶剂-不良溶剂法

Erbil等[19]先熔融PP,然后溶于二甲苯与丁酮的混合溶剂,成功地获得10~50μm类鸟巢多孔超疏水PP膜(图5)。在此研究工作的基础上,Julianna课题组[20]通过在PP-二甲苯溶液中添加不良溶剂,形成相分离来控制聚合物的结晶形貌,获得与水的接触角为169°的超疏水性PP薄膜,并研究了两种不良溶剂对薄膜表面疏水性的影响,其工艺突出的优点是设备简单、成本低廉、且避免使用昂贵不利于环境降解的氟碳化合物和硅基材料,显著地提高了反应过程的绿色化。此外,金美花等[21]以聚甲基丙烯酸甲酯和PS为原料,经过配置聚合物溶液-旋涂-环己烷处理,制备出具有鸟巢状多孔微纳米复合微观结构的超疏水薄膜,与水的接触角可达158.1°。溶剂-不良溶剂法操作简便、设备简单、可规模化生产,具有很好的工业应用前景。

1.7 其他方法

制备超疏水表面还有一些其他方法。将多孔聚氨酯(PU)片浸入粒径约200nm的PS悬浮液中,干燥后该PU片具有超疏水性和超亲油性,可以作为油水分离器[22]。电化学法也是常用方法之一。采用电化学聚合和化学聚合相结合制备了具有双层粗糙度的掺杂了导电聚吡咯的全氟辛烷磺酸盐薄膜,与通常的超疏水薄膜相比,该薄膜可以在超疏水状态和超亲水状态之间转化[23]。

2 展望

尽管国内外研究、制备超疏水性表面虽然时间不长,但发展非常迅速,新的相关理论研究和制备技术不断产生,实际应用产品在不同领域也逐渐开始出现。而要使超疏水表面在实际产品上得以应用,则必须在制备出接触角大、接触角滞后现象小的表面的同时,还需要同时考虑其机械强度以及在户外工作环境中的使用寿命。从目前的文献报道来看,只有少量研究者研究了超疏水性涂膜耐环境老化的情况,很少涉及拉伸强度、弯曲强度、剥离强度等重要的力学性能的分析研究。通过制备工艺的优化和简化、制备方法的选择或创新,在低成本环境友好材料上构造高性能超疏水性表面来降低制备成本,提高使用寿命,是今后具有挑战性和实用性的课题。

摘要：近年来,由于仿生超疏水性表面在自清洁、防腐蚀、微流体系统和生物相容性等方面所显示的独特性能以及在国防、工农业生产和日常生活中的潜在应用前景,有关超疏水性表面的研究引起了极大的关注。综述了超疏水性表面研究的最新进展,较为系统地对超疏水性表面的制备方法进行了评述。

超亲水性 第6篇

关键词：溶胶-凝胶法,TiO2光催化膜,共掺杂,改性

纳米TiO2具有优良的光学和电子性质, 作为一种环境友好功能材料, 在光-电转换、光-化学能转换和光催化氧化降解污水中有机污染物、杀灭细菌、病菌等方面作为光催化剂, 有着广阔的应用前景[1,2,3,4]。在紫外光的照射下, 纳米TiO2半导体复合膜表现出了超亲水的优异性能, 在实际生活中应用非常广泛。随着全球环境污染的日益加重, 利用TiO2光催化剂进行环境净化已经引起世界各国的广泛重视。但TiO2在实际应用中却存在两个缺点:① 其带隙较宽, 光吸收仅局限于紫外光区, 限制了对太阳光能的充分利用;② 纳米TiO2受光照产生的光生载流子有可能在TiO2粒子内部和表面上重新复合而降低TiO2的活性[5]。

影响TiO2薄膜超亲水性的因素有纳米TiO2薄膜的表面结构、表面羟基含量以及光照情况等, 在这些影响因素中, 关键因素是电子-空穴对, 无论超亲水性是由光催化性能导致还是由表面结构变化导致, 都需要光生电子-空穴对的参与。对于纳米TiO2薄膜, 要从根本上增强其超亲水性能, 关键是要使其光吸收范围向可见光区拓展, 从而提高光生电子-空穴对的生成数目, 同时还要设法减小光生电子-空穴对的复合几率。金属离子掺入TiO2后, 能在TiO2禁带中形成一定的杂质能级, 杂质能级接受TiO2导带上的电子 (或价带中的空穴) , 使其成为光生电子 (或光生空穴) 的浅捕获中心, 由此减少了光生电子空穴对的复合率, 有利于提高薄膜表面的亲水性;同时, 杂质的引入还可以减小TiO2禁带宽度, 使其能够吸收波长较长的光子, 吸收光谱的范围向可见光范围移动, 从而提高TiO2薄膜在可见光激发下的超亲水性能[6]。

金属-非金属离子共掺杂一般是利用非金属离子掺入TiO2晶格中, 减小其禁带宽度, 使吸收带边红移, 提高TiO2对可见光的利用率;同时金属离子的掺入可以起到抑制光生载流子复合的作用, 增加电子-空穴对的数量, 从而有利于提高纳米TiO2薄膜的超亲水性能[7,8]。华南平等[9]采用溶胶-凝胶法制备了N掺杂TiO2, 并用光分解沉积法在N/TiO2表面负载微量金属Pt (质量分数0.5 ) , 形成Pt、N共掺杂TiO2, 结果表明, Pt、N共掺杂TiO2的光谱吸收带边比未掺杂的TiO2红移了约20nm, 并在400～500nm处有弱吸收, 分析认为N掺杂减小了TiO2的禁带宽度, 使其对可见光区有较好的吸收, 掺杂适量Pt, 抑制了光生载流子的复合, 加速了电子界面传递速率, Pt、N共掺杂使两种效应相结合, 从而进一步提高了光催化反应性能。同样根据超亲水机理也可以尝试将此方法应用于纳米TiO2薄膜的超亲水性研究中。

本研究从应用的角度出发, 选取简单易行的实验方案, 采用溶胶-凝胶法共掺杂[9,10]制备Al3+/SiO2掺杂TiO2薄膜, 提高了其对太阳光能的充分利用, 在此基础上对其进行超亲水改性, 提高其应用性能。

1实验部分

1.1材料与仪器

钛酸丁酯 (TBOT) , 天津市科密欧化学试剂研发中心;正硅酸乙酯 (TEOS) , 天津市巴斯夫化工有限公司;硝酸铝, 硝酸, 烟台三和化学试剂有限公司;无水乙醇, 烟台三和化学试剂有限公司;蒸馏水, 自制。

马弗炉:SX2 4-13, 龙口市电炉制造厂;超声波清洗器:SK3300H, 上海科导超声仪器有限公司;傅立叶变换红外光谱仪:MAGNA-IR550型, Nicolet公司;扫描电子显微镜:JSM-6390LV, 日本JEOL公司;原子力显微镜: CSPM3000型, 本原分析仪器公司;电热真空干燥箱:ZK-82A型, 上海实验仪器厂有限公司;无级调速搅拌器:D-971型, 郑州长城科工贸有限公司;电子天平:AL104型, 梅特勒-托利多仪器 (上海) 有限公司;紫外可见分光光度计:UV757型, 上海分析仪器总厂;X射线衍射仪D8 Advance:德国布鲁克 (BRUKER) ;静态接触角测试仪:定制;镀膜设备:自制;载玻片:秦皇岛市威克医化玻璃有限公司。

1.2实验过程

1.2.1 混合溶胶的制备

Al3+掺杂TiO2溶胶制备:室温下, 量取20mL无水乙醇放入烧杯1中搅拌, 用一次性吸管量取2mL钛酸丁酯, 逐滴加入无水乙醇中, 记为溶液A1;量取20mL无水乙醇放入烧杯2中搅拌, 称取适量Al (NO3) 3加入烧杯2中搅拌溶解, 滴入2mL蒸馏水, 硝酸调节pH值, 记为溶液B1;当A1、B1溶液分别搅拌均匀后, 溶液B1缓慢滴加到A1中, 继续搅拌0.5h后, 将混合溶胶C1超声1h。

Al3+/SiO2/TiO2 溶胶的制备:在C1溶液制备过程中, 缓慢加入超声制备SiO2溶胶, 搅拌2h得到混合溶胶D1。

1.2.2 复合光催化膜的制备

用浸渍提拉法, 将玻璃基片浸渍在已经配制好的混合溶胶中, 以大约3mm/s的速度将基片垂直向上提出液面, 由于表面吸附和化学结合力的作用, 溶胶将在基片上形成一层均匀的湿凝胶薄膜。涂膜玻璃基片在空气中自然干燥数分钟后置于100℃烘箱中烘干30min, 重复上述步骤进行多次提膜, 可得到适当厚度的复合光催化薄膜。

1.2.3 复合光催化膜的超亲水改性

用SiO2溶胶对所制备的适当厚度Al3+掺杂TiO2光催化膜的表面进行处理改性。

1.2.4 对比试验

在保证其他条件不变的情况下, 改变Al3+的掺杂量为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g, 同时制备多元素混合溶胶和利用SiO2溶胶对复合光催化膜进行改性做对比。

1.2.5 性能测试

对所得产品分别进行FT-IR测试其复合效果, 静态接触角测试仪测试接触角, 紫外-可见分光光度计测试其吸光度与透过率, 扫描电镜和原子力显微镜观察其表面形貌。

2结果与分析

2.1Al3+掺杂量分析

观察相同条件下制备的5份掺杂不同量Al3+的TiO2的混合溶胶的凝胶时间 (如图1a) , 同时将5份掺杂不同量Al3+的TiO2复合光催化膜进行接触角测试对比 (如图1b) 和紫外-可见吸光光度计测试比较 (如图1c) , 分析可得效果最好的Al3+掺杂量。

由图1a分析可知, 0.3gAl3+掺杂TiO2混合溶胶由溶胶到凝胶状态时间最长, 溶胶状态较稳定, 便于多次涂膜;不同Al3+掺杂量对于接触角的影响区别不大, 但仔细测量比较, 由图1b可以明显看到, 0.3gAl3+掺杂TiO2复合光催化膜的静态接触角最小;由图1c可知, 0.3gAl3+掺杂TiO2复合光催化膜的吸光性能最好。综合分析可得:0.3gAl3+掺杂量TiO2复合光催化膜效果最好, 即Al3+∶TBOT∶H2O∶C2H5OH=3∶16∶20∶286 (质量分数之比) 时, 复合光催化膜效果最好。

2.2超亲水性能分析

使用微型吸液管每次吸取1.5μL 二次蒸馏水, 滴在薄膜上, 通过静态接触角测试仪测试接触角, 将所得到的数据制成图2如下。

由图2可知, Al3+掺杂使TiO2光催化薄膜的接触角比未掺杂的纯TiO2降低了20°左右, 而Al3+/SiO2/TiO2多元素共掺杂使接触角进一步降低, 接触角在10°之内, 并且光照一段时间后, b、c的水滴铺展开;Al3+/TiO2复合光催化膜经过SiO2表面处理后, 刚开始水滴就完全铺展开, 接触角几乎为0°, 由此可见, 经过SiO2表面处理后的Al3+/TiO2复合光催化膜亲水性效果最好, 接触角约为0°。满足防雾, 防污, 自清洁的要求。具体效果如图3所示。

(a:TiO2;b:Al3+/TiO2;c:Al3+/SiO2/TiO2;d:Al3+/TiO2+SiO2)

2.3吸光性能及透明度分析

为了进一步研究复合光催化薄膜的性能, 我们对产品做吸光性能与透过率测试, 所得结果如图4所示。

由图4a可以观察出: (1) 在紫外光范围 (190～400nm) 内:190nm～300nm之间, Al3+/TiO2复合光催化膜的吸光性能最高, 多元素掺杂薄膜和纯TiO2薄膜的吸光性能次之, 经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜几乎无吸光度, 大大降低了原有TiO2的紫外吸光性能;300～400nm之间, 纯TiO2吸光性能最高, 但在360nm附近1、2曲线发生交叉, Al3+/TiO2复合光催化膜的吸光性能高于纯TiO2薄膜, 多元素掺杂薄膜的吸光度随着波长的增加而降低, 反而经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜吸光性能逐渐增强, 在340nm附近高于多元素掺杂薄膜。 (2) 在可见光范围内, Al3+/TiO2复合光催化膜的吸光性能最高, 纯TiO2次之, 多元素共掺杂薄膜吸光度最低。

由此可见:Al3+掺杂TiO2提高了其吸光性能, 多元素共掺杂薄膜吸光性能低于纯TiO2薄膜, 经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜虽在紫外区吸光性能不佳, 但在可见光区吸光性能有所上升。

由图4b可以看出, 在可见光范围内, 纯TiO2的透过率在60%～70%, Al3+/TiO2复合光催化膜的透过率略微低于纯TiO2的透过率, 多元素共掺杂薄膜的透过率在80%～90%, 透明度最高, 但在500nm以后, 3、4曲线出现交叉, 经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜的透过率最高, 可达90%左右。

由此可见, 多元素共掺杂薄膜、经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜透过率可达80%～90%, 透明度较高。

2.4复合效果分析

为了测试复合效果, 对SiO2/TiO2、Al3+/TiO2及Al3+/SiO2/TiO2溶胶进行红外测试分析, 所得谱图如图5所示。

由图5可知, 在1谱图上3400cm-1是多聚缔合物Si上OH的伸缩振动峰, 不明显。在2, 3谱图中3400cm-1左右的吸收峰为TiO2表面吸附水的O-H伸缩振动;在1630cm-1左右的吸收峰为TiO2表面吸附水的O-H弯曲振动。1380cm-1有吸收峰说明样品中有有机物的存在, 对应的是C-O的伸缩振动的吸收峰, 说明样品中还吸附了一定量的醇类。在500～1250 cm-1是O-Ti-O骨架的特征吸收峰。其中1183cm-1和953cm-1处的谱带表征着Ti-O-C基团的特征振动。683cm-1处的谱带为C=O链的伸缩振动。510cm-1左右处的振动谱带是由于[TiO6]八面配位体振动产生的, 这是TiO2的特征振动。由此可见, Al3+仅以离子掺杂的形式进入到溶胶中, 并没有形成新的化学键, 2、3谱图的吸收峰大致吻合, 3的谱图介于1、2谱图之间, 说明Al3+/SiO2/TiO2多元素掺杂仅是物理掺杂, 没有新的化学键形成, 也没有破坏原有的化学键。

2.5薄膜表面形貌

为了进一步明确复合薄膜表面的颗粒形貌, 我们将Al3+/TiO2+SiO2样品进行了AFM的测试, 所得结果如图6所示。

由图6观察可知, 经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜的表面有突起, 表面起伏仅在10nm之内, 表面较平滑, 可能由于热处理温度低, 未形成明显的晶体颗粒。

3结论

(1) Al3+掺杂量为0.3g时, TiO2复合光催化膜效果最好。

(2) 经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜的超亲水性最好, 水滴刚滴上, 静态接触角几乎为0°, 优于Al3+/SiO2/TiO2多元素掺杂薄膜的亲水性。

(3) Al3+掺杂TiO2提高了其吸光性能, 多元素共掺杂薄膜吸光性能低于纯TiO2薄膜, 经过SiO2表面处理过的Al3+/TiO2复合光催化膜虽在紫外区吸光性能不佳, 但在可见光区吸光性能有所上升。同时二者的透过率可达80%～90%, 透明度较高。

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