具有光谱选择吸收特性的自清洁纳米材料的研究

论文总字数：22036字

摘 要

近年来关于超疏水材料的研究引发了国内外研究人员极大的关注。但是现阶段，超疏水涂层的透光性大部分都很差。对超疏水涂层的透光性及吸收光谱等光学性质的研究还几乎处于空白状态。本文基于一种超疏水核心配方，采用粒径为100纳米和25纳米的两种不同粒径的二氧化钛纳米粒子，通过改变配方中二氧化钛纳米粒子的浓度和两种不同粒径二氧化钛纳米粒子的质量比，配置不同的超疏水涂料。采用喷枪喷涂的方法将配置好的超疏水涂料喷涂在载玻片上。将制得的样片进行接触角测试和光谱分析，以此来研究超疏水涂层疏水性、透光性及光谱特性的影响因素。通过对数据的分析，发现随着涂料中半导体纳米粒子的浓度的升高，透光性会随之升高，超疏水涂层的疏水性也会升高，并在浓度为10%时达到峰值。而在半导体纳米粒子浓度相同的情况下，两种粒径的半导体纳米材料的质量比不同的超疏水涂层的疏水性也有所不同，吸收峰也有变化。

关键词：超疏水，光谱，透光性，二氧化钛

Abstract

In recent years, the research on superhydrophobic materials has attracted great attention of researchers. However, at this stage, the light-transmissive of the superhydrophobic coating is mostly poor. The study of optical properties such as light-transmissive and absorption spectra of superhydrophobic coatings is almost blank. This article is based on a superhydrophobic core formulation using two different particle size TiO₂ nanoparticles with particle sizes of 100 nm and 25 nm. By changing the concentration of TiO₂ nanoparticles in the formulation and the mass ratio of the two different particle sizes of TiO₂ nanoparticles, different superhydrophobic coatings were configured. And, spray paint was applied to spray the coating on the glass slide. The resulting samples were subjected to contact angle measurements and spectral analysis to study the influence factors of the hydrophobicity, light transmission and spectral characteristics of the superhydrophobic coating. Through analysis of the data, it was found that as the concentration of semiconducting nanoparticles in the coating increases, the light transmittance increases, and the hydrophobicity of the superhydrophobic coating also increases, peaking at a concentration of 10%. With the same concentration of semiconductor nanoparticles, the hydrophobicity of superhydrophobic coatings with different particle-size semiconductor nanomaterials are also different, and the absorption peaks are also changed.

Keywords: Superhydrophobic, Spectrum, Light-transmissive,TiO₂

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究内容及意义 3

1.4 论文组织结构 4

第二章 实验理论 5

2.1 超疏水表面的构造 5

2.2 光谱选择吸收性的实现 6

2.2.1 金属纳米粒子的LSPR现象 6

2.2.2 半导体纳米粒子光吸收特性 6

2.2.3 光谱选择性吸收地改变 7

2.3 超疏水涂层疏水性的表征 8

2.4 超疏水涂层的光谱表征 8

第三章 超疏水涂层的制备 9

3.1 实验设计 9

3.2 超疏水涂料的制备 9

3.3 超疏水涂料的喷涂 10

第四章 超疏水涂层的测试 12

4.1 接触角测试 12

4.2 吸收光谱与透光性的测试 12

第五章 实验数据分析 14

5.1 接触角分析 14

5.1.1 接触角与半导体纳米粒子浓度关系分析 14

5.1.2 接触角与不同粒径半导体纳米粒子的质量比的关系 15

5.2 吸收光谱与透光率分析 16

5.2.1 吸收光谱和透光率与半导体纳米粒子浓度关系分析 16

5.2.2 吸收光谱和透光率与不同粒径半导体纳米粒子的质量比的关系 17

5.3 本章小结 18

第六章 总结与展望 19

6.1 总结 19

6.2 展望 19

6.2.1 模板法制备超疏水表面防老化 19

6.2.2 超疏水涂层黏附性增加 20

6.2.3 高透光性颜色可变的超疏水涂层 20

致 谢 21

参考文献 22

绪论

研究背景

超疏水材料的研究是生物、物理、材料、化学等多学科交叉的仿生研究。我国北宋文学家周敦颐曾用“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”来描述莲叶。而对于超疏水材料的研究也正是起源于对莲叶的研究。1997年W. Barthlott等人发表了论文讲述了他们对于莲叶表面的研究。通过研究，他们发现莲叶表面的有一层由具有特殊表面微纳结构的蜡质晶体所形成的超疏水薄膜。在这种超疏水的粗糙表面上，固体与水之间的接触面街最小化。水形成球状液滴，并从固体表面收集污染物颗粒。这种水滴滚落并收集荷叶上的污染物的效应被称为“荷花效应”。因此荷叶总是表现出非常低的污染程度，即具有自清洁效应。[1]在自然界中，还存在着很多这样的例子，如水黾，蜻蜓等能在水上行走就是因为其足上天然的超疏水材料使；当蝴蝶翅膀扇动时，水滴会沿着轴心放射方向滚动从而使得液滴不会沾湿蝴蝶的身体；当蚊子暴露于雾气环境中时，可以发现在蚊子眼睛表面并不能形成极小的液滴，而在蚊子眼睛周围的绒毛上雾气凝结了大量液滴。这种极强的疏水性可以阻止雾滴在蚊子眼睛的表面附着和凝聚，从而给蚊子带来清晰的视野。

超疏水涂层由于其优异的超疏水性，使其具有多种应用，前景广阔。例如：

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