CN104276765A - 超疏水透明玻璃的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超疏水透明玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对玻璃的外表面进行活化；步骤2，将所述玻璃放入酸性的有机溶剂中，经超声处理第一预定时间；步骤3，向步骤2中的所述有机溶剂中加入第一预定量的烷基氯硅烷，并持续超声第二预定时间；步骤4，向步骤3中的所述有机溶剂中加入第二预定量的铁系/稀土金属可溶盐混合溶剂、或铜系/稀土金属可溶盐混合溶剂，并持续超声第三预定时间，从而制得所述超疏水透明玻璃。本发明省掉了制备微纳结构这一步骤，直接在高能条件下使用低表面能材料修饰玻璃表面，具有操作简单，设备简单，制备的玻璃透明，性能稳定，有望实现在工业生产上大规模的推广。
Description
技术领域
本发明涉及超疏水透明玻璃领域，特别地，涉及一种超疏水透明玻璃的制备方法。
背景技术
超疏水玻璃在汽车挡风玻璃，建筑物玻璃幕墙，显示器，以及太阳能电池等领域有着广泛的用途，能有效的实现自清洁，防污，节能，经济等目的。超疏水玻璃的广泛利用，可以有效提高人们的生活质量，降低生活成本。
基于人们对“荷叶效应”和各类仿生现象的认识，研究者提出了“微纳结构”和“低表面能物质修饰”两者结合的方法制备了各类超疏水材料，这些方法都赋予了水滴在玻璃表面的接触角都能达到150度以上。
制备微纳结构通常使用的方法包括：高能量刻蚀，纳米粒子的物理附着。因此需要使用复杂的工艺，高昂的设备，生产成本高；通过纳米粒子附着制备的超疏水表面在寿命，耐候性，耐酸碱等方面有一定的劣势。这也导致了这些工艺的大规模使用受到了限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种超疏水透明玻璃的制备方法，以解决投入大，成本高，工艺复杂，稳定性不足等问题。
本发明提供了一种超疏水透明玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对玻璃的外表面进行活化；
步骤2，将玻璃放入酸性的有机溶剂（例如苯、甲苯、二氯甲烷、氯仿、丙酮等）中，经超声处理第一预定时间；优选地，第一预定时间是2-5分钟。
步骤3，向步骤2中的有机溶剂中加入第一预定量的氯硅烷（一氯、二氯、三氯的均可，以及氟代烷烃），并持续超声第二预定时间；优选地，第二预定时间是2-3分钟。从而使得Si-Cl直接与玻璃表面的硅羟基反应，脱HCl，形成稳定的Si-O-Si共价键。接着，加入少量的水，于是，氯硅烷水解成Si-OH，该键可以与玻璃表面的硅羟基，脱一分子H2O,形成稳定的Si-O-Si共价键。
步骤4，向步骤3中的有机溶剂中加入第二预定量的铁系/稀土金属可溶盐混合溶剂、或铜系/稀土金属可溶盐混合溶剂，并持续超声第三预定时间，从而制得超疏水透明玻璃。优选地，第三预定时间是0-3小时。
当氯硅烷水解后，分子间脱水，形成聚合物，该聚合物可以在玻璃表面形成疏水表面。同时，超声对该体系有促进作用，附着在玻璃表面未成键的分子会在超声振动下脱落，增加疏水表面的稳定性。
优选地，步骤1之前还包括：使用H2SO4/H2O2(90/10vol.%-50/50vol.%)、丙酮、水、乙醇洗净玻璃的外表面的步骤。
优选地，步骤1中的活化是指将玻璃放置到100-300（优选地是200）摄氏度下进行活化处理。
优选地，步骤1和步骤2之间还包括将玻璃冷却的步骤。特别地，可将玻璃冷却至室温。
优选地，步骤2中的酸性的有机溶剂的PH值为4.0-6.0。
优选地，步骤2中的酸性的有机溶剂是通过乙酸调制而成的。
优选地，步骤4还包括：将玻璃取出、清洗和烘干的步骤。
本发明省掉了制备微纳结构这一步骤，直接在高能条件下（超声）使用低表面能材料修饰玻璃表面，制备了疏水玻璃的接触角在120度，疏水性能在强酸、强碱、有机溶剂、高温（例如200摄氏度等）、一般摩擦条件下均能长期稳定存在。该方法操作简单，设备简单，制备的玻璃透明，性能稳定，有望实现在工业生产上大规模的推广。
附图说明
图1示意性地示出了本发明的方法制得的超疏水玻璃的前进角随PH的关系；
图2示意性地示出了本发明的方法制得的超疏水玻璃的后退角随PH的关系；
图3示意性地示出了本发明的方法制得的玻璃的接触角在丙酮溶液中随时间变化的关系图；
图4示意性地示出了本发明的方法制得的超疏水玻璃的接触角与碳原子数量的关系图。
具体实施方式
实施例一
把一块载玻片经浓H2SO4/H2O2(70/30vol.%)的混合溶液清洗，接着用蒸馏水、乙醇溶液清洗后，放入200摄氏度的烘箱中干燥半个小时，取出冷却至室温备用。
用乙酸把40mL甲苯溶液的PH值调节到5.0，接着将50μL的十八烷基三氯硅烷溶液滴加到上述溶液中，超声（频率为25kHz）分散，在超声振荡的条件下把清洗后的载玻片放入到该溶液中浸渍3分钟。
将两滴蒸馏水滴加到2mL丙酮溶液中配成混合溶液，把该混合溶液滴加到上述溶液中，继续超声振荡3分钟后，加入1mg锌粉，继续超声30分钟。
从上述溶液中，取出载玻片，用乙醇，蒸馏水洗净，制得超疏水玻璃。
请参考图1和2，前进角和后退角随PH的关系，可见，改性后的玻璃表面的疏水性能在酸碱环境中是稳定的。
请参考图3，可见改性后的玻璃表面的疏水性能表现出很好的耐溶剂性能。同时，改性后的玻璃经表面活性剂洗涤，仍表现出很好的稳定性。
此外，改性后的玻璃表面的疏水性能在200摄氏度下能长期稳定存在，经表面活性剂洗涤，强酸（PH=0）、强碱（PH=14）和一般摩擦，均表现出优异的稳定性。玻璃表面经改性后，不仅具有疏水性能，同时具有疏油性能，表现出双疏性。通过该方法，经氟代烷烃处理的玻璃表面的双疏性能最佳。
实施例二
取四片载玻片经浓H2SO4/H2O2(70/30vol.%)的混合溶液清洗，接着用蒸馏水、乙醇溶液清洗后，放入200摄氏度的烘箱中干燥半个小时，取出冷却至室温备用。
用乙酸把200mL甲苯溶液的PH值调节到5.0，并分成四份，在每份溶液中，分别滴加50μL的甲基三氯硅烷，50μL丁基三氯硅烷、50μL辛基三氯硅烷、或50μL十八烷基三氯硅烷，超声（频率为25kHz）分散，在超声振荡的条件下把清洗后的载玻片分别放入到上述溶液中浸渍3分钟。
将两滴蒸馏水滴加到2mL丙酮溶液中配成混合溶液，把该混合溶液滴加到上述溶液中，继续超声振荡3分钟后，加入1mg锌粉，继续超声30分钟。
从上述溶液中，分别取出载玻片，用乙醇，蒸馏水洗净，制得超疏水玻璃。
请参考图4，可见通过改变烷烃主链碳原子数量，可以设计水滴在玻璃表面的前进角在40度到120度之间，后退角在15度到80度之间渐变。
实施例三
把一块载玻片经浓H2SO4/H2O2(70/30vol.%)的混合溶液清洗，接着用蒸馏水、乙醇溶液清洗后，放入200摄氏度的烘箱中干燥半个小时，取出冷却至室温备用。
用乙酸把40mL甲苯溶液的PH值调节到5.0，把该溶液升温到80摄氏度，接着将50μL的十八烷基三氯硅烷溶液滴加到上述溶液中，超声（频率为25kHz）分散，在超声振荡的条件下把清洗后的载玻片放入到该溶液中浸渍3分钟。
将两滴蒸馏水滴加到2mL丙酮溶液中配成混合溶液，把该混合溶液滴加到上述溶液中，继续超声振荡3分钟后，加入1mg铝粉，继续超声30分钟。
从上述溶液中，取出载玻片，用乙醇，蒸馏水洗净，制得超疏水玻璃。
实施例四
把一块载玻片经浓H2SO4/H2O2(70/30vol.%)的混合溶液清洗，接着用蒸馏水、乙醇溶液清洗后，放入200摄氏度的烘箱中干燥半个小时，取出冷却至室温备用。
用乙酸把40mL甲苯溶液的PH值调节到5.0，接着将50μL的溶液滴加到上述溶液中，超声（频率为25kHz）分散，在超声振荡的条件下把清洗后的载玻片放入到该溶液中浸渍3分钟。
将两滴蒸馏水滴加到2mL丙酮溶液中配成混合溶液，把该混合溶液滴加到上述溶液中，继续超声振荡3分钟后，加入1mg锌粉，继续超声30分钟。
从上述溶液中，取出载玻片，用乙醇，蒸馏水洗净，制得超疏水玻璃。
实施例五
取一面镜子，用蒸馏水、乙醇溶液洗净镜面后，烘干备用；
用乙酸把40mL甲苯溶液的PH值调节到5.0，接着将50μL的溶液滴加到上述溶液中，超声（频率为25kHz）分散，在超声振荡的条件下把清洗后的镜子放入到该溶液中浸渍2分钟。
将两滴蒸馏水滴加到2mL丙酮溶液中配成混合溶液，把该混合溶液滴加到上述溶液中，继续超声振荡3分钟后，加入1mg锌粉，继续超声30分钟。
从上述溶液中，取出镜子，用乙醇，蒸馏水洗净，制得超疏水镜面。
Claims (10)
1.一种超疏水透明玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对玻璃的外表面进行活化；
步骤2，将所述玻璃放入酸性的有机溶剂中，经超声处理第一预定时间；
步骤3，向步骤2中的所述有机溶剂中加入第一预定量的烷基氯硅烷，并持续超声第二预定时间；
步骤4，向步骤3中的所述有机溶剂中加入第二预定量的铁系/稀土金属可溶盐混合溶剂、或铜系/稀土金属可溶盐混合溶剂，并持续超声第三预定时间，从而制得所述超疏水透明玻璃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括：
使用浓H2SO4/H2O2、丙酮、水、乙醇洗净所述玻璃的外表面的步骤。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的活化是指将所述玻璃放置到100-300摄氏度下进行活化处理。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1和所述步骤2之间还包括将所述玻璃冷却的步骤。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的酸性的有机溶剂的PH值为4.0-6.0。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的酸性的有机溶剂是通过乙酸调制而成的。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4还包括：将所述玻璃取出、清洗和烘干的步骤。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一预定时间是2-5分钟。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二预定时间是2-3分钟。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三预定时间是0-3小时。
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