[发明专利]一种减反射无氟超疏水自清洁纳米薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种减反射无氟超疏水自清洁纳米薄膜及其制备方法。所述薄膜主要由SiO₂纳米颗粒组成，薄膜本身及制备过程皆不涉及氟化物或者氟元素；所述薄膜具有显著的减反射与超疏水功能。所述薄膜的制备主要包括溶胶制备、涂覆、干燥等工艺环节；所述方法，首先将硅酸酯类有机物、无氟烷氧基硅烷及去离子水按照一定摩尔比在碱性有机溶剂中共水解，经陈化、回流、混合后即可得到胶体溶液；所得溶胶液体涂覆在物体表面经自然干燥后即可获得SiO₂纳米薄膜。该涂层在透光物体上表现出超疏水性及高减反射性，在非透光物体薄膜表现出超疏水性。本发明所述薄膜及制备方法的具有制备工艺简便、成本低廉、无氟及无需加热处理的优点。

技术领域

本发明属于自清洁材料及其制备技术领域，具体涉及到超疏水纳米SiO₂胶体的制备方法。

背景技术

超疏水表面，一般指接触角大于150°、滚动角小于10°的表面。一般地，当水滴落在超疏水表面后会发生滚落，这过程能够携带表面的灰尘等污染物一块滚落，达到表面自清洁的效果。自清洁材料可用在太阳能电池、光伏面板领域，在能保证表面的正常工作的同时，也有利于提高发电量。

关于自清洁材料的研究源于“荷叶效应”的启发，植物学家Barthlott和Neihuis通过电子显微镜观察荷叶表面的微观结构，发现引起表面自清洁效果的是植物表面上的微米级乳突和蜡质晶体。江雷的研究结果认为要想获得超疏水表面还需要结合微米和纳米级的结构。自清洁纳米涂层的制作理论方法是在低表面能材料表面构造粗糙结构和在粗糙表面上修饰低表面能物质。自清洁纳米涂层的制备正是利用了超疏水表面导致自清洁的原理。

目前，制备自清洁纳米涂层中非常普遍的方法是采用含氟硅烷甚至全氟硅烷去降低材料表面能。无论是将含氟硅烷或者全氟硅烷以物理吸附的形式还是化学改性的方法引入到粗糙表面，均涉及氟硅烷的大量使用。同样的粗糙度条件下，氟硅烷能够带来更加优异强劲的疏水性，这就是市场诸多产品大量使用含氟硅烷及全氟硅烷的原因。Pan等人(Pan，S.J.；Guo，R.；Bjornmalm，M.；Richardson，J.J.；Li，L.；Peng，C.；Bertleff-Zieschang，N.；Xu，W.J.；Jiang，J.H.；Caruso，F.，Coatings super-repellent to ultralow surfacetension liquids.Nat Mater 2018，17(11)，1040.)等人，Ozmen等人(Ozmen，E.；Duran，A.；Castro，Y.，Hydrophobic and oleophobic sol-gel coatings on glass substrates forusage at high temperatures.Int J Appl Glass Sci 2018，9(3)，413-420.)等人，Dou等人(Dou，W.W.；Wang，P.；Zhang，D.；Yu，J.Q.，An efficient way to prepare hydrophobicantireflective SiO₂ film by sol-gel method.Mater Lett 2016，167，69-72.)等人均通过利用全氟硅烷制备了超疏水膜材料，具有良好的疏水性能。一般来说，氟元素占比越多、氟原子数量越多，氟硅烷的表面能越低，其导致的薄膜表面接触角越高，自清洁效果越好。但是，另一个重要的问题不容忽视。大量使用含氟硅烷或者全氟硅烷还需要面对昂贵的价格成本，且该化学品的价格成本亦会随着氟占比或氟原子数量的增多而增多。一般地，含氟硅烷、全氟硅烷中的氟元素对人体健康会造成潜在的伤害，也无法满足绿色环保的要求，对生态环境、可持续发展等方面带来了新的挑战。