摘 要

本文采用酸催化溶胶凝胶（Sol-Gel）法以正硅酸四乙酯（TEOS）、乙醇、浓盐酸和正辛基三乙氧基硅氧烷（OTES）为原料，形成SiO₂纳米颗粒和聚硅氧烷共存的溶胶体系，通过提拉成膜在玻璃基底上制备一定疏水性的增透涂层，并对所制的涂层进行高温煅烧，得到了亲水涂层，之后在其表面上通过液相沉积修饰1H,1H,2H,2H-全氟十烷基三氯硅烷即可制得增透易清洁涂层。红外光谱仪（FTIR）表明F-C、SI-C键的存在证实了氟硅烷已被修饰到涂层，再结合场发射扫描电镜(FE-SEM)的测试结果表明了所制的涂层具有致密的和低表面能的结构。采用接触角仪测量涂层的水、油接触角来表征其疏水疏油性能，并最后对制备的涂层进行酸碱腐蚀测试、透过率测试、耐水冲击试验、硬度测试以及清洁效果试验来确保所制膜的结合强度和化学稳定性，以及易清洁性能。结果表明酸催化Sol-Gel法经500℃高温煅烧后修饰氟硅烷所制增透易清洁膜化学稳定性最好，疏水接触角达115°，疏油接触角达76.7，平均透过率在92.45%左右。且该涂层具有良好的易清洁性能，耐酸碱腐蚀实验证明涂层具有良好的耐酸性能以及耐水浸泡性能。

关键词：溶胶-凝胶法 正辛基三乙氧基硅氧烷 1H, 1H, 2H, 2H-全氟十烷基三氯硅烷 增透 易清洁

Abstract

Herein, acid-catalyzed Sol-Gel method with tetraethyl orthosilicate (TEOS), ethanol, concentrated hydrochloric acid and n-octyl triethoxy siloxane (OTES) as raw materials is employed to generate the SiO₂-nanoparticles-silicone composited gel system. A certain hydrophobic anti-reflective coating is prepared on glass substrates by dip-coating method, and the coating becomes hydrophilic after high-temperature calcination. Antireflection and easy-to-clean coating is finally obtained via liquid phase deposition for the modification of 1H, 1H, 2H, 2H- perfluoro dodecyl trichlorosilane on the surface. The results of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) demonstrated that the exhibited F-C andSI-C bond confirm effective modification of fluorosilane on the coating. Field emission scanning electron microscope (SEM) test further indicated that the prepared coating has a dense structure and low surface energy. Contact angles of water and oil is measured by Contact angle meter to characterize hydrophobic and oleophobic properties of the coating. In order to prove the strong bond strength, great chemical stability and ease of cleaning performance on the coating, the final coating underwent acid-base corrosion test, transmittance test, hardness test and cleaning tests. The results show the prepared easy-cleaning coating via cacination at 500℃ display the best chemical stability accompanied with a water contact angle of 115°, oil contact angle of 76.7, and a transmission of 92.45%. Meanwhile, the best easy-cleaning properties and excellent resistance to acid-base solutions and water was exhibited.

Keywords: Sol-Gel, Octyl Silane, Siloxane Fluoride Silane, Antireflective and Easy Cleaning.

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1 .1引言 1

1.2 基本原理 1

1.2.1增透膜的减反射原理 1

1.2.2易清洁原理 3

1.3 研究进展 5

1.4 原料的选取 6

1.4.1 正辛基三乙氧基硅氧烷 6

1.4.2 含氟硅氧烷 6

1.5增透易清洁材料的应用 6

第二章 实验部分 8

2.1 实验原料和溶剂 8

2.2 仪器和设备 8

2.3 实验内容 9

2.3.1 溶胶的制备 9

2.3.2 增透膜的制备 9

2.3.2 增透易清洁表面的制备 9

2.4 分析与表征 10

2.4.1 接触角测试 10

2.4.2 红外测试 10

2.4.3 扫描电镜分析 10

2.4.4 耐酸碱腐蚀测试 10

2.4.5 透过率测试 10

2.4.6 硬度测试 10

2.4.7 易清洁效果测试 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 原料选取分析 12

3.1.1 不同硅氧烷在同一温度下的疏水角度 12

3.1.2 不同硅氧烷所制Sol-Gel提拉膜透过率分析 12

3.1.3 修饰物的选取分析 13

3.2 红外分析 14

3.3 扫描电镜分析 15

3.4 接触角分析 15

3.4.1不同煅烧温度所制提拉膜的水和油接触角 15

3.4.2 不同温度所制提拉膜的透过率分析 16

3.5 硬度 16

3.6 易清洁测试 17

3.6.1 对油性物质的易清洁性 17

3.6.2 对泥污性物质的易清洁效果 18

3.7 耐酸碱性测试 18

第四章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第一章 绪论

1.1引言

增透通常来说就是在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，适当的减少反射光的能量，由于入射光的能量是固定的，由能量守恒定律可知，适当减少反射光的能量必然会使透射光的能量增加。从表观上来说就起到了增透的效果。增透膜可以适当增加光学元件的透光率，因此其广泛用在光学设备如太阳能电池、汽车玻璃窗和激光系统等领域^[1-3]。制备此类膜层的方法有很多如：化学气相沉积法、物理气相沉积法和Sol-Gel法^[4]。与物理气相沉积法和化学气相沉积法相比，Sol-Gel法设备相对简单，成本较低，非常适用于大规模生产，因此该方法得到研究者们的广泛关注。但是仍然存在一个问题难以解决，就是Sol-Gel法制得的二氧化硅增透膜表面会残留一些极性羟基，这使其非常容易吸附环境中的水、有机物等污染物从而降低了其透光率，而且使用寿命也大大缩短。这对于资源的浪费非常严重，为了响应国家可持续发展计划并解决这一问题，前辈们作了大量的工作，主要是往胶体中加入适量的疏水基团硅甲基，这虽然能使其疏水性能得到很大提高，但对于其疏油性能并没有明显提高 ^[5-6]。本文采用酸催化Sol-Gel法制备增透膜层，然后采用高温煅烧使其表面烷基基团在高温，氧气的条件下，发生氧化并生成硅羟基，进而使其表面能升高，变成亲水，然后我们再在其表面修饰氟硅烷以期实现其疏油性能，最后制得增透易清洁表面.我们还探究了以甲基三乙氧基硅氧烷、二甲基二乙氧基硅氧烷、丙基三乙基硅氧烷以及正辛基三乙氧基硅氧烷为原料对所制膜性能的影响，通过一系列对比实验，我们发现正辛基三乙氧基硅氧烷在易清洁和增透二个方面都表现出了相对较好的效果，因此我们选择正辛基三乙氧基硅氧烷为原料；我们还探究了400°、450°、500°以及550°煅烧温度对所制膜性能的影响，通过对各自疏水、疏油性能和增透性能结果的对比、分析，我们发现500°高温煅烧结果最好；对于修饰物，我们对比了PDMS、氯硅烷、氟硅烷三种修饰物，发现氟硅烷修饰后的疏水、疏油性能以及增透效果最好，因此我们选择含氟硅氧烷作为最后的修饰物。

1.2基本原理

1.2.1增透膜的减反射原理

为了减少基底材料表面的光线反射，最简单的办法是镀制一层折射率介于基底与空气折射率之间的薄膜，根据干涉原理和菲涅尔公式，得到镀膜后材料表面的反射率公式：

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