Abstract
Questo manoscritto propone un metodo soft-chimica per sviluppare microsfere cave di vetro superhydrophobic e altamente IR-riflettenti (HGM). L'anatasio TiO 2 ed un agente superhydrophobic sono state rivestite in superficie HGM in un unico passaggio. TBT e PFOTES stati selezionati come sorgente di Ti e l'agente superidrofobica, rispettivamente. Entrambi sono stati rivestiti sulla HGM, e dopo il processo idrotermico, il TBT rivolto a anatasio TiO 2. In questo modo, un PFOTES / TiO 2 Rivestiti HGM (MCHGM) fu preparato. Per confronto, PFOTES singolo rivestito HGM (F-SCHGM) e TiO 2 single-rivestito HGM (Ti-SCHGM) sono stati sintetizzati pure. I PFOTES e TiO 2 rivestimenti sulla superficie HGM state dimostrate mediante diffrazione di raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM), e caratterizzazioni rivelatore a dispersione di energia (EDS). Il MCHGM mostrato un maggiore angolo di contatto (153 °), ma un angolo inferiore scorrevole (16 °) rispetto F-SCHGM, con un angolo di contatto di 141,26; e un angolo di 67 ° scorrevole. Inoltre, sia Ti-SCHGM e MCHGM visualizzati valori IR riflettività simili, che erano superiori a circa il 5,8% rispetto all'originale HGM e F-SCHGM. Inoltre, il rivestimento PFOTES appena cambiato la conducibilità termica. Pertanto, F-SCHGM, con una conducibilità termica di 0,0479 W / (m · K), era piuttosto come l'originale HGM, che era 0,0475 W / (m · K). MCHGM e Ti-SCHGM erano anche simili. I loro valori di conducibilità termica erano 0,0543 W / (m · K) e 0,0543 W / (m · K), rispettivamente. Il rivestimento TiO 2 leggermente aumentato la conduttività termica, ma con l'aumento della riflettività, la struttura complessiva isolamento termico è stata migliorata. Infine, poiché la proprietà IR-riflettente è fornita dal rivestimento HGM, se il rivestimento viene sporcata, la riflettività diminuisce. Pertanto, con il rivestimento superhydrophobic, la superficie è protetta da incrostazioni, e la sua durata è anche prolungato.
Introduction
microsfere cave di vetro (HGM) sono materiali inorganici di dimensioni variabili da 10 a 100 um. Essi dimostrano molte caratteristiche utili, come dispersione eccellente, capacità di flusso elevata, bassa densità, e proprietà di isolamento termico superiori 1, 2, 3, 4. A causa della loro struttura cava, HGM ha una bassissima conducibilità termica 10, 11. Per queste ragioni, sono applicati in molti settori, tra cui aerospaziale 5, esplorazione altura 6, 7, 8 stoccaggio di idrogeno, 9, ecc Tuttavia, ancora mostrano alcuni svantaggi, come la bassa resistenza. Inoltre, la luce IR è in grado di trasmettere attraverso HGM e riscaldare il soggetto dietro. Perciòe, modificazioni superficiali su HGM sono essenziali per ridurre il trasferimento termico radiativo. Un metodo efficace è quello di rivestire un materiale IR-bloccanti sulla superficie HGM. Come un semiconduttore, TiO 2 è stato utilizzato in molti settori, come fotocatalisi 12, 13, sviluppo celle solari, sensore fabbricazione 14, applicazioni ambientali 15, e accumulo di energia 16. Inoltre, mostra anche a bassa emissività nel visibile e dell'infrarosso 17, 18, 19. Pertanto, per i nostri scopi, TiO 2 era una selezione prudente a causa del suo prezzo relativamente basso e alto rendimento.
Tuttavia, il rivestimento è abbastanza facile per gli inquinanti al fallo, che colpisce seriamente la riflettività di TiO2. La riflettività deve ridurre gradualmente. Pertanto, un self-pulizia rivestimento è essenziale per evitare che il rivestimento da incrostazioni e per prolungare il tempo di lavoro di un tale rivestimento.
In questo manoscritto, un metodo soft-chimica è stata utilizzata per sviluppare superhydrophobic TiO2 Rivestiti HGM. Tetrabutil titanato (OTC) e 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) sono stati selezionati come sorgente Ti e agente superidrofobica, rispettivamente. Sono stati idrolizzati e depositate sulla superficie HGM. Poi, dopo il processo idrotermico, l'anatasio TiO 2 formata sulla superficie HGM, e le proprietà superhydrophobic rimasto. Per confronto, PFOTES singolo rivestito HGM (F-SCHGM) e TiO 2 single-rivestito HGM (Ti-SCHGM) sono stati sintetizzati pure. Lo schema di sintesi è illustrato in Figura 1.
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Protocol
1. Trattamento di HGM
- Posizionare il HGM in un bicchiere da 500 mL con 200 ml di alcool assoluto; la bassa densità di ininterrotta HGM induce a sospendere in alcool, ma perché la densità di rotture HGM è maggiore di quello dell'alcool, precipita nella soluzione. Dopo 30 min, raccogliere il HGM sospesa con un cucchiaio pulito ed asciutto a 80 ° C in un forno per ulteriore applicazione.
2. Sintesi di MCHGM
- Porre 5 g di ininterrotta HGM, 47,5 mL di etanolo e 2,5 ml di acqua DI in un pallone a tre colli. Mescolare utilizzando un mescolatore a 400 giri / min per 20 min (premiscelazione).
- Mescolare 15 g del TBT, 1 g di PFOTES, e 30 mL di alcol assoluto in un becher da 200 ml. Versare la miscela in un imbuto a pressione costante.
- Inserire l'imbuto a pressione costante in uno dei fori del pallone a tre colli. Goccia la miscela contenuta nell'imbuto a pressione costante nel pallone a tre colli ad una velocità di1 goccia ogni 7 s, che si ottiene regolando la valvola dell'imbuto pressione costante. Continuare la reazione per 3 ore.
- Versare il composto dal pallone a tre colli in un reattore idrotermale. Mettere il reattore sigillato in un manicotto di acciaio adatto in un forno a 180 ° per 6 h.
NOTA: Assicurarsi che il reattore ha una copertura adeguata. Dopo che è coperto, mettere il reattore nel manicotto di acciaio. Il manicotto deve essere sigillato con un coperchio. - Dopo che la reazione è terminata, raccogliere i campioni in sospensione nel reattore idrotermale con un grande cucchiaio. Essiccare i campioni a 80 ° C per 4 ore per ottenere MCHGM.
3. Sintesi di F-SCHGM
- Aggiungere 5 g di ininterrotta HGM, 47,5 mL di etanolo assoluto, e 2,5 ml di acqua DI ad un pallone a tre colli. Mescolare utilizzando un mescolatore a 400 giri / min per 20 min (premiscelazione). Mescolare 1 g di PFOTES e 30 mL di etanolo assoluto in un becher da 200 ml. Trasferire il PFOTES e assoluta emiscela thanol ad un imbuto a pressione costante.
- Inserire l'imbuto a pressione costante nel pallone a tre colli. Goccia la miscela contenuta nell'imbuto a pressione costante nel pallone a tre colli ad una velocità di 1 goccia per 7 s. Lasciate che la reazione di una durata di 3 ore.
- Trasferire il composto dal pallone a tre colli da un reattore idrotermale. Mettere il reattore sigillato in un forno a 180 ° per 6 h. Dopo che la reazione è terminata, raccogliere i campioni in sospensione nel reattore idrotermale con un grande cucchiaio. Essiccare i campioni a 80 ° C per 4 h per ottenere F-SCHGM.
4. Sintesi di Ti-SCHGM
- Porre 5 g di ininterrotta HGM, 47,5 mL di etanolo assoluto, e 2,5 mL di acqua deionizzata in un pallone a tre colli. Mescolare a 400 giri / min per 20 min (pre-miscelazione). Mescolare 15 g di OTC e 30 mL di etanolo assoluto in un becher da 200 ml. Trasferire il TBT e miscela di etanolo assoluto ad un imbuto a pressione costante.
- Inserire le costanti-presAssicurarsi imbuto nel pallone a tre colli. Goccia la miscela nell'imbuto a pressione costante nel pallone a tre colli ad una velocità di 1 goccia per 7 s. Lasciate che la reazione di una durata di 3 ore.
- Trasferire il composto dal pallone a tre colli da un reattore idrotermale. Mettere il reattore sigillato in un forno a 180 ° per 6 h. Raccogliere i campioni nel reattore idrotermale dopo la reazione è terminata. Essiccare i campioni a 80 ° C per 4 h per ottenere Ti-SCHGM.
5. Caratterizzazioni
- Condurre caratterizzazioni XRD su tutti i campioni. Raccogliere i dati utilizzando un sistema polivalente diffrazione di raggi X è molto versatile con Cu Ka radiazioni (λ = 0,15,406 mila nm) e una 2θ che varia da 10 ° a 80 °.
- Acquisire microscopio elettronico a scansione 20, 21 immagini dopo spruzzando i campioni con oro. Durante le prove SEM, conduce l'EDS è su un'area specifica.
- misurare laangolo di contatto utilizzando un contatto angolo goniometro 22; il volume delle gocce d'acqua dovrebbe essere di 10 microlitri.
- Misurare l'angolo di scivolamento 23 cambiando l'angolo di inclinazione della superficie. Minimizzare l'angolo finché la goccia d'acqua può semplicemente scivolare giù.
- Bastone nastro biadesivo su una lastra di vetro (dimensioni: 26 mm x 76 mm x 2 mm). Usando un cucchiaio, posizionare uniformemente le polveri (F-SCHGM o MCHGM) sul nastro. Utilizzando un iniettore, aggiungere una goccia d'acqua (volume: 0,05 mL) alla superficie della polvere.
- Mettere la lastra di vetro sulla piattaforma del motore del goniometro contatto angolo. Inclinare la lastra di vetro inclinando la piattaforma motore a una velocità di 1 ° / s. Arrestare il motore quando la goccia d'acqua inizia a scorrere; l'angolo di inclinazione è l'angolo di scorrimento.
- Misurare le spettri di riflettività utilizzando uno spettrofotometro 24. NOTA: La lunghezza d'onda è da 450 nm a 2.550 nm.
- Misurare la conducibilità termica di tutti i campioniutilizzando un misuratore di conducibilità termica 25.
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Representative Results
I test in fase 4.4 rivelano molte caratteristiche e proprietà dei campioni. La XRD (Figura 2) riflette la formazione di anatasio TiO 2. Il SEM (Figura 3) e EDS (Figura 4) visualizzare la TiO 2 e PFOTES che sono rivestite in superficie HGM. L'angolo di contatto (figura 5) e l'angolo di scorrimento (Figura 6) Test rappresentano la superhydrophobicity. Il test trasmittanza Vis-NIR (Figura 8) descrive le proprietà riflettenti del rivestimento TiO 2, e la conducibilità termica (Figura 9) dimostra che il rivestimento non aumenta la conducibilità termica.
Come mostrato in figura 2, i quattro campioni sottoposti alle prove XRD. L'ampio picco a circa 2θ = 23 ° rappresenta il amorfa SiO 2, che è il principalecomponente del HGM. Questo picco è rilevato nei quattro campioni, che dimostra l'esistenza di HGM. Poiché PFOTES è l'unico rivestimento con uno spessore di alcune molecole, non cambia il segnale XRD. Pertanto, gli spettri XRD dell'originale HGM, F-SCHGM, Ti-SCHGM e MCHGM sono quasi la stessa. Da per Ti-SCHGM e MCHGM, oltre al picco ampio di SiO 2, gli altri picchi ((101), (004), (200), (105), (211), (213) e (204)) sono perfettamente indicizzata al TiO2 standard (PDF # 89-4921). Questo riflette che anatasio TiO 2 è formato nei prodotti finali.
Le immagini SEM sono mostrate nella figura 3. Come mostrato in queste immagini, il F-SCHGM e l'originale HGM hanno alcuna differenza sulla superficie perché il rivestimento PFOTES è soltanto spessore poche molecole. Per MCHGM e Ti-SCHGM, è abbastanza ovvio che ci sono i rivestimenti sulla superficie. I risultati EDS sono mostrati in Figura 4. L'area rosa in figura 3 è stata studiata mediante EDS. Come mostrato in figura 4a, sono stati rilevati solo Si, O, Na, Ca e. Nella Figura 4b, oltre a questi quattro elementi, F viene anche rilevata. Questo è l'elemento di caratterizzazione PFOTES, che è stato rivelato per essere rivestito sulla superficie HGM. In figura 4c, oltre ai quattro elementi nella Figura 4a, Ti è stato rilevato, il che indica che TiO 2 è rivestito sul lato HGM. Nella figura 4d, oltre ai cinque elementi in figura 4c, F è stato anche rilevato. Questo dimostra che sia TiO 2 e PFOTES sono rivestite in superficie HGM.
L'angolo di contatto è stato quindi studiato. Come mostrato in figura 5, gli angoli di contatto dell'originale HGM (Figura 5a), F-SCHGM (figura 5b), Ti-SCHGM (figura 5c), e MCHGM (Figura5d) sono 59 °, 141,2 °, 85 ° e 153 °, rispettivamente. Con l'aiuto di PFOTES, gli angoli di contatto di F-SCHGM e MCHGM entrambi mostrano un aumento enorme. Tuttavia, i loro angoli di scorrimento (Figura 6) sono diversi. Gli angoli di scorrimento F-SCHGM e MCHGM sono 67 ° e 16 °, rispettivamente. Ciò è dovuto alla particolare struttura formata da TiO 2 su HGM. Questa particolare struttura aumenta la rugosità superficiale, per cui l'angolo di scorrimento è anche cambiato. Il bagnante modello Cassie-Baxter 26, illustrato in figura 7, è in grado di spiegare il fenomeno superidrofobica. Formula 1 descrive questo modello. In questa formula, θ c è l'angolo di contatto apparente, θ è l'angolo di contatto di Young 27, ef è la frazione in fase solida. Con l'aiuto di TiO 2, sia la rugosità della superficie HGM e il valore F sono aumentati. Pertanto, l'angolo di contatto è diventato più grande. Tio2 rivestimento contribuito a formare la struttura a pilastri sulla superficie HGM. Pertanto, la goccia d'acqua è supportato da un tappetino di aria, e, durante lo scorrimento, la resistenza è piccola. Così, l'angolo di scivolamento MCHGM è minore.
cos θ c = cos θ f - (1 - f) (1) 26
La riflettività stato poi studiato e mostrato nella figura 8. Poiché il rivestimento PFOTES cambia appena la riflettività, questi quattro campioni sono stati divisi in due gruppi. Il primo è l'originale HGM e F-SCHGM, e il secondo è la Ti-SCHGM e MCHGM. In ogni gruppo, i dati di riflettività sono abbastanza simili. Tuttavia, con l'aiuto di TiO 2, la riflettività aumentato del 5%.
Infine, l'influenza del rivestimento TiO 2 sul condu termicactivity è stata studiata. Ciò è essenziale perché il rivestimento TiO 2 aumenta lo spessore della parete di HGM. Così, la conduttività termica di TiO 2 Rivestiti HGM è un po 'superiore patinata HGM. Tuttavia, il miglioramento conducibilità termica non dovrebbe essere così evidente che la struttura complessiva isolamento termico indebolisce. Come mostrato in figura 9, dato che il PFOTES appena cambiato la conduttività termica, solo TiO 2 contribuito ai guadagni in questo parametro. Tuttavia, l'aumento è stato limitato. Le conducibilità termiche dell'originale HGM, F-SCHGM, Ti-SCHGM e MCHGM erano 0,0475 W / (m · K), 0,0479 W / (m · K), 0,0546 W / (m · K), e 0,0543 W / (m · K), rispettivamente. Così, anche se il rivestimento TiO 2 aumentato la conducibilità termica dovuta al guadagno dello spessore di parete HGM, l'incremento è lieve. Le proprietà di isolamento termico complessivo di tale TiO 2 Rivestiti HGM sono stati migliorati dal miglioramento riflettività che derived dal TiO 2.
Figura 1: schema di sintesi dei MCHGM. Per altri campioni, come F-SCHGM e Ti-SCHGM, i processi sono abbastanza simili, ma senza materie prime affini. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Gli spettri XRD dell'originale HGM, superhydrophobic TiO2 / HGM e anatasio standard di TiO 2. Gli spettri sono stati rilevati da un altamente versatile, multiuso sistema di diffrazione di raggi X con Cu Ka radiazioni (λ = 0,15,406 mila nm) e una 2θ che varia da 10 ° a 80 °. Non ci sono differenze evidenti tra l'originale HGMe F-SCHGM o Ti-SCHGM e MCHGM. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: La morfologia di (a) l'originale HGM, (b) F-SCHGM, (c) Ti-SCHGM, e (d) MCHGM, rilevata utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Sulle superfici originali HGM e F-SCHGM, i rivestimenti non possono essere osservate tramite SEM, ma esistono rivestimenti sulle superfici di Ti-SCHGM e MCHGM. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Le misure EDS delle aree rosse cornice di (a) l'originale HGM, (b) F-SCHGM, (c) Ti-SCHGM, e (d) MCHGM, rilevato utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Sono stati rilevati elementi caratteristici della PFOTES e TiO 2.
Figura 5: L'angolo di contatto (a) l'originale HGM, (b) F-SCHGM, (c) Ti-SCHGM, e (d) MCHGM vengono rilevati dal goniometro contatto angolo. Con l'aiuto di PFOTES, i valori angolari contatto di F-SCHGEM e MCHGM mostrano un grande aumento. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6: L'angolo scorrimento di (a) F-SCHGM e (b) MCHGM. Il cerchio rosso segna il percorso di scorrimento del goccia d'acqua. MCHGM mostra un Lower angolazione scorrevole. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Il Cassie-Baxter bagnatura teoria superhydrophobicity. Questo è il modello che descrive bagnare teoria. Il cerchio nero rappresenta la goccia d'acqua. Le colonnine rappresentano la superficie ruvida.
Figura 8: Gli spettri riflettività dell'originale HGM, F-SCHGM, Ti-SCHGM e MCHGM, rilevata dal spettrofotometro. Il TiO 2 Rivestiti HGM mostra meglio riflettività rispetto all'originale HGM. Clicca qui a view una versione più grande di questa figura.
Figura 9: La conducibilità termica dei quattro campioni, rilevata da un misuratore di conducibilità termica. L'aumento della conducibilità termica deriva dal guadagno dello spessore delle pareti. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
In questo manoscritto, il passo critico nel protocollo è il processo idrotermale. Essa influenza la formazione di TiO 2, la riflettività finale, e il superhydrophobicity. Il controllo della temperatura e tempo di reazione sono anche abbastanza significativi. Se le condizioni di reazione cambiano, i prodotti finali possono essere viziata.
Questo metodo fornisce un modo semplice per sintetizzare superhydrophobic e altamente IR-riflettente HGM in un'unica fase. Nella ricerca precedente, le proprietà superhydrophobic e riflettività sono stati raggiunti mediante separato 28, 29, 30. Pertanto, per ottenere sia, sono necessari almeno due fasi. In questo manoscritto, un metodo one-step si propone, migliorando ampiamente l'efficienza di produzione. Inoltre, con questi due proprietà combinate, il rivestimento IR-riflettente è protetto da incrostazioni, e la prestazione di rivestimento può essere mantenuto per un lungo periodo. </ P>
Tuttavia, v'è una limitazione in termini di sintesi su larga scala. Questo metodo dovrebbe essere ulteriormente modificata per tali scopi. Quando si tratta di un grande reattore idrotermale, il trasferimento di calore e di massa deve essere ben organizzato.
Questa tecnica è significativo rispetto ai metodi esistenti perché permette la sintesi di superhydrophobic e altamente IR-riflettente HGM in un'unica fase. Il rivestimento è il fattore chiave per riflettere IR. Così, è anche molto importante per mantenere la superficie pulita. Con la proprietà autopulente superhydrophobic, il rivestimento può essere protetto da incrostazioni, e la durata può essere prolungata. Inoltre, poiché due fasi sono ridotte a un passo, l'energia consumata durante la produzione anche ridotto.
La tecnica proposta dimostrato in questo manoscritto rappresenta un buon metodo per sintetizzare un materiale termoisolante con un'ampia varietà di applicazioni. Il p superhydrophobicROPRIETÀ è combinato con altre proprietà, quali IR-riflesso. Quindi, se necessario, il metodo di sintesi superhydrophobic può essere applicato ad altri materiali funzionali, quali materiali IR-assorbimento 31, anticorrosivo 32 o anche 33 celle solari.
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Acknowledgments
Il lavoro descritto in questo documento è stato sostenuto da una sovvenzione da parte del Fondo per l'Innovazione CII-HK / PolyU. Ulteriore supporto è stato fornito dal Piano di Shenzhen Pavone (KQTD2015071616442225) e il governo cinese programma "Mille Talent" (Y62HB31601). Inoltre, l'aiuto da parte del Dipartimento di Biologia Applicata e Tecnologia Chimica del Politecnico di Hong Kong e l'Istituto Politecnico di Hong Kong di Ricerca per lo Sviluppo Urbano Sostenibile (RISUD) è apprezzato.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| HGM | Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Science | N/A | N/A |
| TBT | Sigma-Aldrich | CAS#: 5593-70-4 | Analytical grade |
| Ethyl Alcohol | Sigma-Aldrich | CAS#: 64-17-5 | Analytical grade |
| PFOTES | Sigma-Aldrich | CAS#: 51851-37-7 | 98% |
References
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