超双疏与光催化协同自清洁表面的微结构设计及稳健性研究

Currently, complex processes and poor robustness (poor mechanical stability and contamination by micro sized droplets) are the major problems hindering the superamphiphobic self-cleaning materials from the practical application. In this study, linear polymer structured SiO2 sol and TiO2/SiO2 composite aerogel particles will be respectively synthesized as the basic structure building units based on the sol-gel technology. A highly robust superamphiphobic surface will be fabricated by coordinated use of high porosity and multiple re-entrant structure of aerogel, adhesion effect of linear polymer and photocatalytic properties of TiO2. The effect of catalyst, temperature and reaction time on the colloidal particle size and pore structure of the basic building units will be studied to reveal the mechanism of the microstructure control of the basic building units. The effect of the substrate surface morphology and chemical composition on the surface wettability will be investigated and the structure-activity relationship between the substrate surface microstructure and superamphiphobicity will be established. The effect of the bonds between the substrate and the basic building units and TiO2 structure parameters (size, content, distribution, etc.) on the mechanical stability and organic stability will be clarified and the optimal microstructure parameters for the robust superamphiphobic surface will be obtained. This project can further enrich the theory of microstructure design for the highly robust superamphiphobic surface and provide theoretical foundation for the preparation long-term self-cleaning materials (such as functional textiles).

工艺复杂和稳健性差（机械稳定性差和易被微小体积液滴沾污）是目前阻碍超双疏自清洁材料实际应用的主要难题。本项目基于溶胶-凝胶原理分别设计合成线性聚合物结构SiO2溶胶和TiO2/SiO2复合气凝胶粒子两种基本构筑单元，协同利用气凝胶的高孔隙率及多重凹形结构，线性聚合物的粘接作用和TiO2的光催化特性构筑高稳健超双疏表面。研究催化剂、温度和时间等控制参数对基本构筑单元胶粒尺寸及孔隙结构的影响规律，揭示基本构筑单元微观结构调控机制；考察基体表面形貌和化学组成对表面润湿性的影响规律，建立基体表面微观结构与超双疏性之间的构效关系；明晰基本构筑单元与基体之间的键合方式和TiO2结构特征（尺寸、含量和分布等）对超双疏表面的机械稳定性和油污稳定性的内在规律，获得最佳的高稳健超双疏表面微结构设计参数。本项目实施可进一步丰富高稳健超双疏表面微结构设计理论，为长效自清洁材料（如功能纺织品）的制备提供理论依据。

鉴于超双疏材料在实际制备中存在工艺复杂和稳健性差（机械稳定性差和易被微小体积液滴沾污）的不足。本项目基于溶胶-凝胶原理分别设计合成线性聚合物结构SiO2溶胶和TiO2/SiO2复合气凝胶粒子两种基本构筑单元，协同利用气凝胶的高孔隙率及多重凹形结构，线性聚合物的粘接作用和TiO2的光催化特性构筑高稳健超双疏表面。研究了催化剂、温度等控制参数对基本构筑单元胶粒尺寸及孔隙结构的影响规律，探讨了基本构筑单元微观结构调控机制。结果表明以甲基三甲氧基硅烷为前躯体，在酸碱两步催化条件下，凝胶化温度升高，凝胶网络内部孔隙逐渐增大，老化温度提高则可显著增强凝胶网络骨架强度，40℃凝胶化温度和60℃老化温度条件下可以获得构建超双表面所需的理想结构。考察了基体表面形貌和化学组成对表面润湿性的影响规律，建立基体表面微观结构与超双疏性之间的构效关系。结果表明孔隙尺寸均匀且适当的气凝胶颗粒结合含氟长链基团表面修饰，将其通过浸轧烘工艺处理到纤维表面可赋予织物优异的超疏油性能。研究基本构筑单元与基体之间的键合方式和TiO2结构特征（尺寸、含量和分布等）对超双疏表面的机械稳定性和油污稳定性的内在规律，获得最佳的高稳健超双疏表面微结构设计参数。研究表明由于气凝胶颗粒尺寸相对较大，单独使用时易于从纤维表面脱落；酸催化条件下合成的线性链状结构SiO2可以大大提高气凝胶颗粒与纤维之间的结合牢度，但由于少量羟基等基团的引入会在一定程度上削弱织物表面的超疏油特性；小尺寸、锐钛矿/金红石混合晶型纳米TiO2可以有效降解吸附在超双疏表面的油性污染物；纳米尺度TiO2颗粒进入SiO2气凝胶网络内部，减少了TiO2与纤维表面的直接接触，有效防止光催化过程对纤维强度造成损伤；增加TiO2含量虽然可以提高降解污染物的能力，但同时会破坏颗粒表面的低表面能基团，造成超双疏性能下降。本项目实施可进一步丰富高稳健超双疏表面微结构设计理论，为长效自清洁材料（如功能纺织品）的制备提供理论依据。