透明超疏水PET薄膜的研究

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超疏水表面指的是与水的接触角大于150°而滚动角小于10°的表面。由于这种表面具有疏水自清洁、流体减阻、防污等独特性能,因而其在微流体系统、太阳能电池和生物相容性等领域有广泛的应用前景。近几十年来,国内外众多学者通过各种各样的方法成功制备出多种超疏水表面,如化学气相沉积法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、等离子体刻蚀法等,但是其基底大部分为玻璃片,很少以透明聚合物为基底制备超疏水表面。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜是常用的一种工程塑料膜,其具有透明、耐化学腐蚀及强韧性等优异性能,在日常生活及工业生产中有着广泛的应用,若能赋予其更多的独特性能,如超疏水自清洁性,将使其具有更广阔的应用前景。  本课题以透明PET薄膜为基底,研究了两种方案制备透明超疏水PET薄膜。  第一种是直接利用空气等离子体刻蚀法然后通过全氟烷基硅烷(FAS)表面修饰制备透明疏水PET薄膜。研究了空气等离子体在不同放电功率及不同时间处理条件下对PET薄膜的形貌及润湿性影响。结果表明,一定范围内,放电功率越大,处理时间越长对PET薄膜的刻蚀效果越明显。当放电功率为300W,处理时间约为200s时,处理后的样品经FESEM观察,发现其表面形貌由10-100nm的颗粒状物质和少量长度为150-400nm的短纤维状物质组成。样品经等离子体改性后,接触角为8°左右,表现出较好的亲水性,经FAS修饰后,接触角达到151°,但滚动角较大,这主要是受表面粗糙度的影响。除了利用FAS作为表面修饰剂外,还采用各种具不同碳链长度的氯硅烷进行修饰,结果表明,表面疏水性能随碳链长度的增加而增加。  第二种是利用溶胶凝胶法制备透明超疏水PET薄膜。以正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇、水等为原料,通过浸渍提拉涂膜工艺在经空气等离子体改性后的PET薄膜上制备SiO2膜层,然后通过FAS表面修饰形成超疏水表面。详细探讨了氨水浓度、提拉速度、陈化时间等对制备透明超疏水膜层性能的影响。结果表明,氨水浓度对制备超疏水膜层具有重要的影响,在0.12mol/L、0.24mol/L和0.43mol/L三种氨水浓度条件下,随着催化剂氨水浓度的增加,生成的SiO2纳米颗粒越来越大:在浓度为0.12mol/L时,制备出的SiO2粒径<20nm;在浓度为0.24mol/L时,SiO2粒径分布在20-100nm,而浓度增大到0.43mol/L时,SiO2粒径则分布在100-200nm。制备的三种样品经FAS修饰后,接触角分别为134°、169°、166°。但氨水浓度过大,会严重影响薄膜的透过性能。提拉速度对制备透明超疏水膜层也有影响,实验中分别设定三种提拉速度:0.5mm/s、2.0mm/s和5.0mm/s。以氨水浓度为0.24mol/L催化水解制备的溶胶液为原液提拉涂膜,经FAS修饰后接触角分别能达到150°、168°、166°,滚动角分别为12°、5°、2°。当提拉速度为2.0mm/s时,制备膜层透明度最佳,修饰后样品透光率在可见光范围内最高也可达到86%。通过比较不同陈化时间制备出的膜层,采用0.24mol/L氨水催化制备的溶胶凝胶为原液并以2.0mm/s速度进行提拉涂膜时,发现陈化4天效果最佳,制备的样品透过率最高达到90%,且经修饰后其表面接触角为160°。此外,制备的透明超疏水表面具有较强的持久稳定性,在中性及微酸性条件下浸泡10天表面接触角仍大于150°,在弱碱及强酸条件下其稳定性稍下降;在冲量为2×10-3cN·s及水滴流速为1.2滴/秒条件下,表面经冲击40min后仍能保持其超疏水性。通过对上述样品进行场发射扫描电镜分析(FESEM)、能量色散X射线光谱分析(EDS)及红外光谱分析(FT-IR)等,发现复合的微纳米结构及接枝到表面的全氟硅烷是引起表面超疏水的关键因素。  本文通过采用溶胶凝胶法在等离子体刻蚀PET薄膜上涂膜,然后经表面修饰成功的制备出透明超疏水表面。该方法不仅具有操作较简单,可重复性强,实验周期短等优点,还适用于各种柔性薄膜基底,为以后在透明聚合物上制备透明超疏水表面提供了重要思路。
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