无机陶瓷膜的制备及亲水改性探究

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本文首先以硝酸铝作为前驱体,并引入聚丙烯酸、丙三醇、甲基纤维素、聚乙二醇200等不同添加剂,通过溶胶-凝胶法探讨Al2O3薄膜的制备工艺。通过溶胶粘度、电势电位(Zeta电位)、热重(TG-DTG)、红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等方法对样品的热稳定性、晶相组成、表面形貌、孔径及比表面积等进行分析,得出以下结论:(1)通过对溶胶粘度、Zeta电位及成膜情况的考察,选择甲基纤维素作为添加剂,添加量为20%(质量分数)。(2)Al2O3薄膜的热处理方式为:Al2O3溶胶在60℃、相对湿度为70%RH干燥后,以0.5℃/min速率升温到800℃后保温2h,在107℃、242℃、348℃附近慢速升温并保温一定时间,随炉冷却至室温即可得性能良好的Al2O3薄膜,此制度能改善膜层开裂问题。(3)通过TG-DTG、XRD、IR分析表明:Al2O3薄膜在热处理过程中发生了如下的晶型转变:γ-AlOOH→γ-Al2O3→α-Al2O3,在800℃后主要为γ-Al2O3。(4)通过SEM和BET分析表明,Al2O3膜表面平整且具有孔状结构,颗粒间排列紧密,形状规则,薄膜具有较高的比表面积和较窄的孔径分布,属介孔材料。其次,采用溶胶-凝胶法,以钛酸丁酯为前驱体制备TiO2薄膜,并对TiO2样品进行不同的热处理、光处理、控制薄膜厚度、添加聚乙二醇模板剂、构造TiO2-SiO2复合薄膜等,采用TG-DTG、IR、XRD、SEM、BET、接触角测试等方式对样品的热稳定性、官能团结构、孔径及比表面积等进行分析,探讨不同因素对薄膜表面润湿性的影响,得到以下结论:(1)TiO2薄膜的热处理制度为:TiO2凝胶在30℃、相对湿度60%RH干燥后,以0.5℃/min的速率升温至750℃并保温3h,在质量损失较快处缓慢升温并适当保温,随炉冷却至室温;TiO2-SiO2复合凝胶在50℃、相对湿度60%RH干燥后,以0.5℃/min的速率升温至650℃并保温3h,在230℃和420℃附近缓慢升温并适当保温,随炉冷却至室温。此制度能减缓薄膜开裂现状。(2)通过TG-DTG、IR和XRD分析表明:TiO2薄膜从550℃开始发生锐钛矿向金红石相转变;TiO2-SiO2复合膜在热处理后SiO2组分均为无定型态,Si4+进入TiO2晶格内生成的Ti-O-Si键,说明两组分通过化学键结合形成了复合膜。(3)通过SEM和BET分析表明:以高分子PEG为模板剂时,薄膜结构致密,颗粒间堆积并出现轻微团聚现象,薄膜表面变得粗糙,且出现了介孔和大孔;TiO2-SiO2复合膜内部结构较为均匀,具有较高的孔隙率,平均孔径为50.20nm。(4)通过接触角测试表明:a.TiO2中锐钛矿晶型含量越高,薄膜表面与水滴润湿性越好,亲水性越强;b.在一定涂膜次数范围内,薄膜厚度与亲水性正相关,最佳亲水性为薄膜相对厚度为7L时接触角为5.3°;c.在紫外光光照时,锐钛矿型TiO2亲水性良好;在可见光光照时,复合晶型TiO2亲水性能良好;d.以PEG为模板剂时,TiO2薄膜亲水性随PEG分子量和添加量的增大而逐渐增强,但持续增大使薄膜表面出现裂纹,当模板剂为PEG2000、添加量为5%时,水滴在薄膜表面润湿性能良好;e.TiO2-SiO2复合膜中二氧化硅的加入使薄膜表面酸性提高从而吸附更多的羟基,因而表现出更强的亲水性能,在本实验中,当TiO2:SiO2(mol/mol)为3:2时,复合膜表面亲水性能最佳。
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