超疏水性气凝胶的制备及应用研究

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石材和混凝土等无机材料的表面容易被各类污染物侵害或附着,将导致石材或混凝土等无机材料表面的光泽减少、斑渍、颜色褪化、平整性不佳、表面粉化等,造成表面的美观性下降。在材料表面制备一层超疏水涂层,能将污染物隔离,达到自清洁的效果,将给石材、混凝土等材料的表面清洁带来重大影响。本文研究了一种可以制备超疏水性涂层的材料——超疏水性气凝胶,并对其制备过程和应用性能进行了研究。对超疏水性气凝胶的常压制备过程进行了研究,包括凝胶pH、加水量、各制备阶段耗时、离子交换和Na+、陈化条件、干燥工艺对气凝胶的影响;提出微乳液法制备超疏水气凝胶粉体,探讨了制备气凝胶的微乳液配制方法、表面活性剂和助表面活性剂对微乳液影响、干燥工艺等,还探讨了此法制备气凝胶相对于制备块状气凝胶的优势;最后还探讨了气凝胶的亲疏水性以及超疏水性涂层的性能。得出了以下结论:(1)、以水玻璃为硅源,采用溶胶—凝胶法常压干燥制备可以得到密度为0.09g/cm3的块状气凝胶,最佳工艺步骤是:水玻璃用水稀释3倍并经强酸型阳离子交换树脂除Na+,成湿凝胶pH为6~9,陈化为12h以上,利用无水乙醇、正己烷等表面张力较小的有机溶剂逐步进行溶剂替换,经疏水改性后在常温、60℃、100℃、150℃和250℃下进行干燥可得到密度最佳的块状气凝胶。(2)、微乳液法制备气凝胶粉体,可得表观密度最低为0.04g/cm3、颗粒粒度为24.123μm的超疏水性气凝胶粉体。研究可得微乳液法最佳制备步骤为:水玻璃用水稀释3倍并经强酸型阳离子交换树脂除Na+,得pH为2~~3的硅酸溶胶,将硅酸溶胶按体积比为2:10的比例与煤油混合,加入十六烷基三甲基溴化铵(CATB)、正丁醇形成微乳液,然后使用pH~12的氨水溶液进行凝胶反应,经洗涤除煤油和杂质离子、陈化、溶剂替换和疏水改性后干燥即可得到气凝胶粉体。(3)、利用微乳液法可制备出粒径为24.123μm、粒径分布从7μm~91μm、比表面积为829m2/g的气凝胶粉体,粒径小且分布较窄,且不必升温干燥,常温下即可在1h内干燥形成气凝胶粉体。(4)、超疏水性气凝胶粉体涂层可达161°的接触角,具备优异的超疏水性,在武汉的降雨条件下,超疏水涂层能保持半年的超疏水性。
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