超疏水纳米TiO2 涂层的制备及其耐蚀性能研究.pdf

1、超疏水纳米 TiO2涂层的制备及其耐蚀性能研究摘要本文主要是研究涂在铁片基底上的超疏水纳米二氧化钛涂层的制备和其他机械性能的检测评估。我们利用纳米二氧化钛与偶联剂正辛基三乙氧基硅烷充分反应生成了原始的超疏水性能较好但耐磨性、硬度等其他机械性能不好的超疏水涂层，并探究了纳米二氧化钛的粒径及偶联剂的量及修饰时间等因素对其最终制得的涂层的疏水性的影响。为了提高超疏水纳米二氧化钛涂层的耐磨性等性能，我们又用液体玻璃树脂对超疏水纳米二氧化钛涂料进行改性，通过恒温恒湿实验、盐雾老化实验、紫外老化试验及磨耗试验发现最终产生的复合涂层疏水性能保持良好的同时耐磨性和硬度都获得了极大的提高。关键词关键词：铁片；超

2、疏水纳米二氧化钛；正辛基三乙氧基硅烷；耐磨性Preparation and Corrosion Resistance of excellentmechanical properties of superhydrophobic nanometerTiO2coatingsAbstractThis article is to study Preparation and other mechanical properties test and evaluationsuperhydrophobic nano-titanium dioxide coated on a substrate coated ir

3、on.We use titaniumdioxide with a coupling agent n-octytriethoxysilane fully reacted to generate the originalsuper-hydrophobic better performance but poor mechanical properties of other wearresistance,hardness,super-hydrophobic coatings,and explore the nano-titanium dioxide theparticle size and the a

4、mount of coupling agent and modified time and other factors finallyobtained its hydrophobicity of the coating.In order to improve super-hydrophobicnano-titanium dioxide coating abrasion resistance and other properties,we also use liquidglassresinsuperhydrophobicnano-titaniumdioxidecoatingwasmodified

5、bytheexperimental temperature and humidity,salt spray test aging,UV aging test and wear testeventually found hydrophobic properties of composite coating produced while maintaininggood wear resistance and hardness have gained greatly improved.Keywords：Iron sheets；Superhydrophobic nano-titanium dioxid

6、e；N-octyltriethoxysilane；Wear resistance目录目录第一章前言.11.1 超疏水概念.11.2 天然超疏水现象.11.2.1 荷叶效应.21.2.2 美人蕉叶.31.2.3 水黾.41.2.4 蝉.41.3 超疏水相关理论基础.51.3.1 接触角.51.3.2 滚动角.61.4 制备超疏水涂层的方法.61.4.1 溶胶-凝胶法.71.4.2 相分离法.71.4.3 自组装法.72.1 实验部分.92.1.1 实验药品.92.1.2 实验仪器.92.1.3 实验步骤.92.2 结果分析.92.2.1 纳米 TiO2的粒径对涂料超疏水性能的影响.102.2.2

7、 修饰剂用量对涂料超疏水性能的影响.112.2.3 修饰时间对 TiO2超疏水性能的影响.112.3 小结.12第 3 章超疏水纳米 TiO2/液体玻璃树脂复合涂层的制备及性能研究.133.1 前言.133.2 实验部分.133.2.1 实验药品.133.2.2 实验仪器.133.2.3 实验步骤.133.3 结果分析.143.3.1 树脂添加量对复合涂层润湿性能的影响.143.3.2 恒温恒湿试验对复合涂层润湿性能的影响.143.3.3 盐雾老化试验对复合涂层润湿性能的影响.163.3.4 紫外老化试验对复合涂层润湿性能的影响.183.3.5 磨耗试验对复合涂层润湿性能的影响.19第 4 章

8、结论.21致谢.22第一章前言1第一章前言超疏水性材料是指满足材料表面与水的接触角大于 150并且滚动角小于 5的材料1。随着科学技术的不断发展，超疏水性材料凭借其独有的优异性能在人们日常的生产和生活中扮演着越来越重要的角色，也因此对于超疏水材料的研发与应用越来越受到人们的关注。超疏水材料并不是科学家首次创新得出的产物，在我们的大自然中其实就有很多天然的超疏水材料，例如出淤泥而不染的莲花、荷叶以及具有自清洁性能的蝴蝶的翅膀。在这些材料中并不含昂贵的、稀有的化学成分，但却具有作用时间比较长的超疏水功能。科学家通过对这些天然超疏水材料的细致观察和分析，发现超疏水性能的出现是由于这些材料表面特殊的微

9、纳米结构和细密的蜡状物质共同作用的结果。而得到的这些结果也让人们对超疏水材料的内在形成机理有了极大的了解，才进一步帮助人们借助仿生的方式，通过构筑与这些天然微纳米结构相似的 人工微纳米结构，来获得超疏水性能。当然，人们除此之外还研制了不同的超疏油、超亲水和超亲油材料，来满足我们各种社会生产和生活的需要。1.1 超疏水概念根据材料表面对于水的润湿程度，可以分为疏水表面和亲水表面，通常我们将与水滴的接触角大于 90的材料称为疏水材料，与水滴的接触角小于 90的材料称为亲水材料考察材料表面疏水性能是否良好，除了考量与静态水的接触角大小外，还要测量它与水滴的滚动角的大小2。滚动角反映了水滴从材料表面滚

10、落的难易程度。滚动角越小，水滴与材料表面的粘附程度越小，水滴越容易从材料表面滚落。超疏水材料作为疏水材料的一种特殊情况，只有当材料的表面很难被润湿并且水的润湿角度大于 150并且与水的滚动角小于 10时我们便认为这种材料表面拥有超疏水性。当固体表面具有良好的超疏水性质时，水滴就很难润湿表面，水滴在材料表面只需要一个很小的倾斜角度，水滴便能轻易地从表面滚落，同时可以带走材料表面的污渍，即我们通常称的自清洁性能。1.2 天然超疏水现象在神奇的大自然中，有许多天然存在的超疏水现象，例如出淤泥而不染的莲花、可第一章前言2以在水面行走的昆虫以及羽毛不被浸湿的鸟类等等。这些特殊的现象得到了科学家的集中关注

11、。而通过研究，我们知道了这些材料之所以具有超疏水性能，是因为它们的表面具有特殊的微纳米结构可以蕴含气体产生气膜，存在于液体与固体的交界面，进而实现了水滴不能浸润的效果3。图 1-1 天然超疏水现象1.2.1 荷叶效应当水滴落到荷叶上时，会直接从荷叶上滚过，并且荷叶的叶面会显得十分的干净，这就是因为荷叶表面具有天然的超疏水性，使水滴自动凝结成水珠并将荷叶表面的尘土吸附带走，进一步产生了自清洁性能。荷叶所具有的优良的超疏水性能和自清洁性能被我们称为“荷叶效应”。科学家经过研究发现，荷叶表面具有长链烯烃的低能量物质，并且具有合适粗糙度的表面结构。通过扫描电子显微镜对其进行观察，我们可以看到其表面具有

12、丝状或绒状凸起结构，在荷叶的上表面和下表面均有分散，这种凸起的尺寸在微米级左右，而且在这种微米级的凸起上面有覆盖有许多纳米级的突起（如图 1-2），这种凸起的可宏观体现为当我们用手去触摸荷叶表面时可感觉到其表面凹凸不平而产生的摩擦。荷叶上的微米级凸起平均直径在 10 微米左右，微米凸起上的纳米凸起平均直径在 200 纳米上下4。在最开始的时候研究人员认为荷叶的超疏水性能是由荷叶表面的蜡状物质造成的，通过进一步分析证实，其表面的超疏水性能和自清洁性能是其表面的微纳米双层结构和蜡状物质共同作用产生的。第一章前言3图 1-2 扫描电镜下的荷叶表面的微纳米双层结构1.2.2 美人蕉叶大自然中有许多植物

13、的叶子都展现出优异的超疏水性能，其中也包括美人蕉的叶子（图 1-3 a 和 b 为美人蕉叶子的照片）。通过测量，我们可以得到水滴在美人蕉叶子表面的静态接触角为 1652并且滚动角也小于 55。通过图 1-3 中的 c 和 d 我们可以看到不同放大倍数下的美人蕉叶子表面的 SEM 图。通过图 1-3 中的 c 图我们也可以观察到在美人蕉叶子的表面也有一些微米凸起分布在表面上，从图 1-3 中的 d 图我们可以看到经过进一步放大这些微纳米凸起是由一些次微米尺寸的棒状体组成的。经过测量这些棒状体的直径在 200-400 纳米之间。因此美人蕉叶子表面也生成了为纳米级的双层结构，而这些结构可以储存空气，

14、使叶子表面与液体之间形成空气垫，进而使表面产生了超疏水性能和自清洁性能。第一章前言4图 1-3 美人蕉叶子照片及不同放大倍数的 SEM 图片（a）美人蕉照片（b）水珠在美人蕉叶面上的照片（c-d）不同放大倍数下的美人蕉叶子表面的 SEM图片1.2.3 水黾自然界中不止一些植物具有超疏水性能，许多昆虫的器官，例如蝴蝶的翅膀，水黾的腿以及蝉翼也具有非常好的超疏水性能6。在夏天的河流和池塘中，我们经常能看到水黾在水面上轻快地移动，腿部却依然保持干燥（如图 1-4a 所示）。经过观察，我们可以看到水黾的腿部长有许多纤细的刚毛，经过测量刚毛的直径在微米级以上，同时在每一根刚毛上还有许多纳米级大小的凹槽（

15、如图 1-4b 所示）。水黾之所以能在水面上自由行走就是因为在其腿部的这些微纳米结构中可以嵌藏大量的空气并且刚毛上面具有蜡质层。（a）站立在水面上的水黾（b）水黾腿部的刚毛以及刚毛上的凹槽图 1-4 水黾的照片以及腿部在扫描电镜下的 SEM 图1.2.4 蝉在大自然物竞天择适者生存的法则下，使得很多昆虫有了神奇的自清洁功能，这其中就包括蝉和蝴蝶。蝉的翅膀很容易就能除去上面的尘土、颗粒、水滴等来保持清洁性以便于自身的行动。经过观察研究，我们发现蝉的自清洁性也是由于它的微观结构决定的。在图 1-5 中我们可以看到蝉翅膀的表面是由直径大约为 70 纳米彼此间距接近 90 纳米的第一章前言5柱状体排列

16、组成的复合微纳米结构。蝉的自清洁性质就是来自于这些微纳米结构。图 1-5 张开的蝉翼以及蝉翼上的微纳米结构在先进的科学仪器的帮助下，科学家们对自然界中天然存在的超疏水表面进行了结构研究发现了疏水的原因。此外，我们对疏水物质还进行了相关的化学成分分析。例如马丁（Martin）和科赫(Koch)等人都对树叶的超疏水性进行了比较系统的研究，发现在这些植物表面覆盖的蜡状物中都含有具有不同的官能团的碳氢衍生物。这些富有价值的研究成果给我们现在进行人工制备超疏水材料提供了相当大的帮助。1.3 超疏水相关理论基础1.3.1 接触角液体和固体接触时润湿性是最为常见的一种界面现象。当我们在固体表面滴加一滴液体时，不同的液体会在固体表面形成不同的堆积形态。在达到热力学平衡的条件下，不同的液滴会与固体形成大小不同的夹角7。这个夹角便是我们所说的接触角（如图 1-6所示）。以气-液-固交点处向向气-液界面做一条切线，这条切线与固-液界面之间的夹角就是我们通常所说的接触角。有了接触角的定义，我们便可以通过液滴在固体表面接触角的大小来判定这种固体表面亲水、疏水等润湿性能8。图 1-6 接触角的定义第一章前言6接触