Abstract
Ce manuscrit propose une méthode de chimie douce pour développer des microsphères de verre creuses réfléchissantes IR superhydrophobes et très (HGM). Le TiO 2 anatase et un agent super - hydrophobe ont été revêtus sur la surface HGM en une seule étape. OTC et PFOTES ont été sélectionnés en tant que source de Ti et l'agent superhydrophobe, respectivement. Ils ont tous deux été enduits sur HGM, et après le processus hydrothermal, l'OTC se sont tournés vers anatase TiO 2. De cette façon, un PFOTES / TiO 2 HGM doté d'un revêtement (MCHGM) a été préparé. A titre de comparaison, PFOTES unique enrobé HGM (F-SCHGM) et (Ti-SCHGM) unique revêtu de TiO 2 ont été synthétisés HGM aussi. Les PFOTES et TiO 2 revêtements sur la surface HGM ont été démontrées par diffraction des rayons X (XRD), microscopie électronique à balayage (SEM), et caractérisations détecteur à dispersion d'énergie (EDS). Le MCHGM présentait un angle de contact supérieur (153 °), mais d'un angle de glissement inférieure (16 °) de F-SCHGM, avec un angle de contact de 141,26; et un angle de glissement de 67 °. En outre, à la fois Ti-SCHGM et MCHGM affichés similaires valeurs de réflectivité IR, qui étaient environ 5,8% par rapport à l'HGM original et F-SCHGM. En outre, le revêtement PFOTES à peine changé la conductivité thermique. Par conséquent, F-SCHGM, avec une conductivité thermique de 0,0479 W / (m · K), est tout à fait comme le HGM original, qui était 0,0475 W / (m · K). MCHGM et Ti-SCHGM étaient également similaires. Leurs valeurs de conductivité thermique étaient 0,0543 W / (m · K) et 0,0543 W / (m · K), respectivement. Le revêtement de TiO 2 a légèrement augmenté la conductivité thermique, mais avec l'augmentation de la réflectivité, la propriété globale d'isolation thermique a été renforcée. Enfin, étant donné que la propriété IR-réfléchissant est fourni par le revêtement HGM, si le revêtement est encrassé, la réflectivité diminue. Par conséquent, le revêtement superhydrophobes, la surface est protégée contre l'encrassement, et sa durée de vie est également prolongée.
Introduction
des microsphères creuses en verre (MGH) sont des matériaux inorganiques dont la taille varie de 10 à 100 um. Ils montrent de nombreuses fonctions utiles, telles qu'une excellente dispersion, la capacité d'écoulement élevée, une faible densité et des propriétés supérieures d'isolation thermique 1, 2, 3, 4. En raison de leur structure creuse, HGM présentent une conductivité thermique extrêmement faible 10, 11. Pour ces raisons, elles sont appliquées dans de nombreux domaines, y compris l' ingénierie aérospatiale 5, exploration sous -marine 6, 7, stockage d'hydrogène 8, 9, etc. Cependant, ils démontrent encore quelques inconvénients, comme une faible résistance. De plus, la lumière infrarouge est capable de transmettre par HGM et chauffer le sujet derrière. à cet effete, des modifications de surface sur HGM sont essentiels pour réduire le transfert thermique radiatif. Une méthode efficace consiste à revêtir un matériau de blocage IR sur la surface HGM. En tant que semi-conducteur, TiO 2 a été utilisé dans de nombreux domaines, tels que la photo-catalyse 12, 13, le développement de cellules solaires, la fabrication de capteurs 14, 15 des applications environnementales, et le stockage d'énergie 16. En outre, elle montre également une faible émissivité dans la lumière visible et infrarouge bande 17, 18, 19. Par conséquent, pour nos besoins, TiO 2 était une sélection prudente en raison de son prix relativement bas et des performances élevées.
Cependant, le revêtement est assez facile pour les polluants diabolisant, ce qui affecte sérieusement la réflectivité de TiO 2. La réflexion doit réduire progressivement. Par conséquent, un selrevêtement f-nettoyage est essentiel pour empêcher le revêtement de l'encrassement et de prolonger le temps de travail d'un tel revêtement.
Dans ce manuscrit, une méthode de chimie douce a été utilisé pour développer superhydrophobes TiO 2 HGM revêtu de . titanate de tétrabutyle (TBT) et le 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) ont été sélectionnés en tant que source de Ti et de l'agent superhydrophobe, respectivement. Ils ont été hydrolysées et déposés sur la surface HGM. Puis, après le processus hydrothermique, l'anatase TiO 2 formée sur la surface HGM et les propriétés superhydrophobes est resté. A titre de comparaison, PFOTES unique enrobé HGM (F-SCHGM) et (Ti-SCHGM) unique revêtu de TiO 2 ont été synthétisés HGM aussi. Le schéma de synthèse est illustré à la figure 1.
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Protocol
1. Pré-traitement de l'HGM
- Placez le HGM dans un bécher de 500 ml avec 200 ml d'alcool absolu; la faible densité de HGM ininterrompue amène à suspendre dans l'alcool, mais parce que la densité des brisures HGM est plus grande que celle de l'alcool, il précipite dans la solution. Au bout de 30 min, recueillir l'HGM en suspension à l'aide d'une cuillère propre et sèche à 80 ° C dans une étuve pour une autre demande.
2. Synthèse de MCHGM
- Introduire 5 g de HGM ininterrompue, 47,5 mL d'éthanol et 2,5 ml d'eau DI dans un ballon à trois cols. On agite à l'aide d'un moteur de mélange à 400 tr / min pendant 20 min (pré-mélange).
- Mélanger 15 g de TBT, 1 g de PFOTES, et 30 ml d'alcool absolu dans un bêcher de 200 mL. Versez le mélange dans une ampoule à pression constante.
- Insérez l'entonnoir à pression constante dans l'un des trous du ballon à trois cols. Déposer le mélange contenu dans l'ampoule à pression constante dans le ballon à trois tubulures à une vitesse de1 goutte par 7 s, qui est obtenu en ajustant la valve de l'entonnoir à pression constante. Continuer la réaction pendant 3 h.
- Verser le mélange dans le ballon à trois tubulures dans un réacteur hydrothermique. Mettre le réacteur scellé dans un manchon en acier approprié dans un four à 180 ° C pendant 6 h.
REMARQUE: Assurez-vous que le réacteur a un couvercle approprié. Après il est couvert, mettre le réacteur dans le manchon en acier. Le manchon doit également être scellé avec un couvercle. - Après la réaction est terminée, recueillir les échantillons en suspension dans le réacteur hydrothermal à l'aide d'une grande cuillère. Sécher les échantillons à 80 ° C pendant 4 h pour obtenir MCHGM.
3. Synthèse de F-SCHGM
- Ajouter 5 g de HGM ininterrompue, 47,5 ml d'éthanol absolu et 2,5 ml d'eau DI dans une fiole à trois cols. On agite à l'aide d'un moteur de mélange à 400 tr / min pendant 20 min (pré-mélange). Mélanger 1 g de PFOTES et 30 ml d'éthanol absolu dans un bêcher de 200 mL. Transférer le PFOTES et absolu eTHANOL mélange dans une ampoule à pression constante.
- Insérez l'entonnoir à pression constante dans le ballon à trois cols. Déposer le mélange contenu dans l'ampoule à pression constante dans le ballon à trois tubulures à une vitesse de 1 goutte par 7 s. Laissez la réaction fonctionner pendant 3 h.
- Transférer le mélange dans le ballon à trois tubulures dans un réacteur hydrothermique. Mettre le réacteur scellé dans un four à 180 ° C pendant 6 h. Après la réaction est terminée, recueillir les échantillons en suspension dans le réacteur hydrothermal à l'aide d'une grande cuillère. Sécher les échantillons à 80 ° C pendant 4 h pour obtenir F-SCHGM.
4. Synthèse de Ti-SCHGM
- Introduire 5 g de HGM ininterrompue, 47,5 ml d'éthanol absolu et 2,5 ml d'eau DI dans un ballon à trois cols. On agite à 400 tr / min pendant 20 min (pré-mélange). Mélanger 15 g de TBT et de 30 ml d'éthanol absolu dans un bêcher de 200 mL. Transférer le TBT et le mélange de l'éthanol absolu dans une ampoule à pression constante.
- Insérer les-pres constanteentonnoir que dans le ballon à trois cols. Déposer le mélange dans l'ampoule à pression constante dans le ballon à trois tubulures à une vitesse de 1 goutte par 7 s. Laissez la réaction fonctionner pendant 3 h.
- Transférer le mélange dans le ballon à trois tubulures dans un réacteur hydrothermique. Mettre le réacteur scellé dans un four à 180 ° C pendant 6 h. Recueillir les échantillons dans le réacteur hydrothermique après la réaction est terminée. Sécher les échantillons à 80 ° C pendant 4 h pour obtenir Ti-SCHGM.
5. caractérisations
- Mener des caractérisations XRD sur tous les échantillons. Récupérer les données en utilisant un système de diffraction des rayons X très polyvalent, à usages multiples avec un rayonnement Cu Ka (λ = 0,15406 nm) et une 2θ allant de 10 ° à 80 °.
- Acquérir microscope électronique à balayage 20, 21 images après pulvérisation , les échantillons avec de l' or. Au cours des essais SEM, mener l'EDS est sur une zone spécifique.
- Mesurer lAngle de contact à l'aide d' un goniomètre d' angle de contact 22; le volume de goutte d'eau doit être de 10 pi.
- Mesurer l'angle de glissement 23 en changeant l'angle d'inclinaison de la surface. Réduire au minimum l'angle jusqu'à ce que la goutte d'eau peut simplement glisser vers le bas.
- Coller un adhésif double face sur une feuille de verre (taille: 26 mm x 76 mm x 2 mm). Utilisation d'une cuiller, déposer uniformément les poudres (F-SCHGM ou MCHGM) sur la bande. Utilisation d'un injecteur, on ajoute une goutte d'eau (volume: 0,05 ml) à la surface de la poudre.
- Mettre la feuille de verre sur la plate-forme de moteur du goniomètre d'angle de contact. Incliner la feuille de verre en se penchant la plate-forme de moteur à une vitesse de 1 ° / s. Arrêtez le moteur lorsque la chute de l'eau commence à glisser; l'angle d'inclinaison est l'angle de glissement.
- Mesurer les spectres de réflectivité à l' aide d' un spectrophotomètre 24. NOTE: La longueur d'onde est de 450 nm à 2550 nm.
- Mesurer la conductivité thermique de tous les échantillonsen utilisant un appareil de mesure de conductivité thermique 25.
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Representative Results
Les tests à l'étape 4.4 révèlent de nombreuses caractéristiques et propriétés des échantillons. La diffraction des rayons X (figure 2) reflète la formation d'anatase TiO 2. La SEM (figure 3) et EDS (Figure 4) montrent le TiO 2 et PFOTES qui sont déposée sur la surface HGM. L'angle de contact (figure 5) et de l' angle de glissement (figure 6) les tests représentent la superhydrophobicité. Le test de transmittance Vis-NIR (Figure 8) décrit les propriétés réfléchissantes de la couche de TiO 2, et la conductivité thermique (Figure 9) montre que le revêtement ne pas augmenter la conductivité thermique.
Comme le montre la figure 2, les quatre échantillons sont soumis aux tests de DRX. Le pic large à environ 2θ = 23 ° représente le SiO 2 amorphe, qui est le principalcomposant de HGM. Ce pic est détecté dans les quatre échantillons, ce qui démontre l'existence de HGM. Puisque PFOTES est le seul revêtement d'une épaisseur de quelques molécules, il ne change pas le signal XRD. Par conséquent, les motifs de diffraction des rayons X du HGM original, F-SCHGM, Ti-SCHGM et MCHGM sont presque les mêmes. Quant à Ti-SCHGM et MCHGM, outre le pic large de SiO 2, les autres pics ((101), (004), (200), (105), (211), (213) et (204)) sont parfaitement indexé sur la norme TiO 2 (PDF # 89-4921). Cela reflète que la anatase TiO 2 est formé dans les produits finaux.
Les images SEM sont représentées sur la figure 3. Comme le montre ces images, le F-SCHGM et l'HGM d'origine ont aucune différence sur la surface parce que le revêtement est PFOTES seulement quelques molécules d'épaisseur. Pour MCHGM et Ti-SCHGM, il est tout à fait évident qu'il ya des revêtements sur la surface. Les résultats EDS sont présentés sur la figure 4. La zone rose à la figure 3 a été étudiée par EDS. Comme le montre la figure 4a, seule Si, O, Na et Ca ont été détectés. Sur la figure 4b, outre ces quatre éléments, F est également détecté. Ceci est l'élément de caractérisation des PFOTES, qui a été révélé à enduire sur la surface HGM. Sur la figure 4c, en plus des quatre éléments de la figure 4a, Ti a été détectée, ce qui indique que TiO 2 est appliqué sur la HGM. Dans la figure 4d, outre les cinq éléments de la figure 4c, F a également été détectée. Cela démontre que les deux TiO 2 et PFOTES sont enduits sur la surface HGM.
L'angle de contact a ensuite été étudié. Comme le montre la figure 5, les angles de contact de l'HGM (figure 5a) d' origine, F-SCHGM (figure 5b), Ti-SCHGM (Figure 5c), et MCHGM (Figure5d) sont 59 °, 141,2 °, 85 ° et 153 °, respectivement. Avec l'aide de PFOTES, les angles de contact de F-SCHGM et MCHGM présentent tous deux une augmentation énorme. Cependant, leurs angles de glissement (figure 6) sont différentes. Les angles de glissement des F-SCHGM et MCHGM sont 67 ° et 16 °, respectivement. Ceci est dû à la structure spéciale formée par TiO 2 sur HGM. Cette structure particulière augmente la rugosité de la surface, de sorte que l'angle de glissement est également modifiée. Le modèle de mouillage Cassie-Baxter 26, représenté sur la figure 7, est en mesure d'expliquer le phénomène superhydrophobe. Formule 1 décrit ce modèle. Dans cette formule, θ c est l'angle de contact apparent, θ est l'angle de contact de Young 27, et f est la fraction en phase solide. Avec l'aide de TiO 2, à la fois la rugosité de la surface HGM et la valeur de f est augmentée. Par conséquent, l'angle de contact est devenu plus grand. le TiO2 revêtement a permis de former la structure de pilier sur la surface HGM. Par conséquent, la goutte d'eau est supportée par un tapis d'air, et, en glissant, la résistance est plus petite. Ainsi, l'angle de glissement de MCHGM est plus petit.
cos C = f cos θ de - (1 - f) (1) 26
La réflexion a ensuite été étudié et illustré à la figure 8. Etant donné que le revêtement PFOTES change à peine le pouvoir réfléchissant, ces quatre échantillons ont été divisés en deux groupes. La première est l'HGM original et F-SCHGM, et le second est le Ti-SCHGM et MCHGM. Dans chaque groupe, les données de réflectivité sont assez similaires. Cependant, avec l'aide de TiO 2, la réflectivité a augmenté de 5%.
Enfin, l'influence du revêtement TiO 2 sur la Condu thermiquectivité a été étudiée. Ceci est essentiel car le revêtement de TiO 2 augmente l'épaisseur de paroi de HGM. Ainsi, la conductivité thermique de TiO 2 est doté d'un revêtement HGM un peu plus élevé que HGM non couché. Cependant, l'amélioration de la conductivité thermique ne doit pas être si évident que la propriété globale d'isolation thermique affaiblit. Comme le montre la figure 9, puisque le PFOTES à peine changé la conductivité thermique, que TiO 2 a contribué aux gains de ce paramètre. Cependant, l'augmentation a été limitée. Les conductivités thermiques de l'HGM, F-SCHGM, Ti-SCHGM et MCHGM étaient 0,0475 W / (m · K) d'origine, 0,0479 W / (m · K), 0,0546 W / (m · K), et 0,0543 W / (m · K), respectivement. Ainsi, même si le revêtement TiO 2 augmente la conductivité thermique en raison du gain d'épaisseur de paroi HGM, l'augmentation est légère. Les propriétés globales d'isolation thermique de telle TiO 2 revêtu de HGM ont été améliorées par l'amélioration de la réflectivité que DERIved du TiO 2.
Figure 1: Le schéma de synthèse de MCHGM. Pour d'autres échantillons, tels que le F-SCHGM et Ti-SCHGM, les processus sont assez similaires, mais sans matières premières connexes. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2: Les spectres de diffraction des rayons X de l'HGM original, superhydrophobe TiO2 / HGM et anatase TiO 2 norme. Les spectres ont été détectés par un système de diffraction des rayons X très polyvalent, à usages multiples avec un rayonnement Cu Ka (λ = 0,15406 nm) et une 2θ allant de 10 ° à 80 °. Il n'y a pas de différences évidentes entre l'HGM d'origineet F-SCHGM ou Ti-SCHGM et MCHGM. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3: La morphologie de (a) l'HGM original, (b) F-SCHGM, (c) Ti-SCHGM, et (d) MCHGM, détectée en utilisant un microscope électronique à balayage. Sur les surfaces originales HGM et F-SCHGM, les revêtements ne peuvent pas être observés par SEM, mais les revêtements existent sur les surfaces de Ti-SCHGM et MCHGM. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4: Les mesures EDS des zones à pans rouges de (a) l'origine HGM, (b) F-SCHGM, (c) Ti-SCHGM, et (d) MCHGM, détectée en utilisant un microscope électronique à balayage. On a détecté les éléments caractéristiques de PFOTES et TiO 2.
Figure 5: L'angle de contact de (a) l'HGM original, (b) F-SCHGM, (c) Ti-SCHGM, et (d) MCHGM sont détectées par le goniomètre d' angle de contact. Avec l'aide de PFOTES, les valeurs d'angle de contact de F-SCHGEM et MCHGM montrent une forte augmentation. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 6: L'angle de glissement de (a) F-SCHGM et (b) MCHGM. Le cercle rouge marque le chemin de glissement de la goutte d'eau. MCHGM montre une lower angle de glissement. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 7: Le mouillage Cassie-Baxter théorie de superhydrophobicité. C'est le modèle qui décrit la théorie de mouillage. Le cercle noir représente la goutte d'eau. Les petits piliers représentent la surface rugueuse.
Figure 8: Les spectres de réflexion de l'HGM original, F-SCHGM, Ti-SCHGM et MCHGM, détectée par le spectrophotomètre. Le TiO 2 montre une meilleure HGM doté d'un revêtement réfléchissant que le HGM d' origine. S'il vous plaît cliquer ici pour view une version plus grande de ce chiffre.
Figure 9: La conductivité thermique des quatre échantillons, détectée par un appareil de mesure de la conductivité thermique. L'augmentation de la conductivité thermique dérive du gain de l'épaisseur de paroi. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
Dans ce manuscrit, l'étape critique dans le protocole est le processus hydrothermique. Elle influence la formation de TiO 2, la réflectivité finale, et le superhydrophobicité. Le contrôle de la température et le temps de réaction sont également très importants. Si les conditions de réaction changent, les produits finaux peuvent être faussées.
Cette méthode offre un moyen simple de synthétiser HGM superhydrophobes et hautement réfléchissant les rayons infrarouges en une seule étape. Dans des recherches antérieures, les propriétés de superhydrophobes et de réflectivité ont été obtenus par des moyens séparés 28, 29, 30. Par conséquent, pour obtenir à la fois, au moins deux étapes sont nécessaires. Dans ce manuscrit, un procédé en une étape est proposée, en grande partie l'amélioration de l'efficacité de production. En outre, avec ces deux propriétés combinées, le revêtement réfléchissant les rayons infrarouges est protégé contre l'encrassement et la performance de revêtement peut être conservé pendant une longue période. </ P>
Cependant, il y a une limitation en termes de synthèse à grande échelle. Cette méthode doit encore être modifié à de telles fins. En ce qui concerne un grand réacteur hydrothermal, le transfert de chaleur et de masse doit être bien organisée.
Cette technique est importante par rapport aux méthodes existantes, car il permet la synthèse de HGM superhydrophobes et hautement réfléchissant IR en une seule étape. Le revêtement est le facteur clé pour refléter l'IR. Ainsi, il est également tout à fait important de garder la surface propre. Avec la propriété autonettoyante superhydrophobes, le revêtement peut être protégé contre l'encrassement et la durée de vie peut être prolongée. En outre, parce que deux étapes sont réduites à une seule étape, l'énergie consommée lors de la production est également réduite.
La technique proposée démontré dans ce manuscrit représente une bonne méthode pour synthétiser un matériau d'isolation thermique avec une grande variété d'applications. Le p superhydrophobesROPRIÉTÉ est combiné avec d'autres propriétés, telles que la réflexion IR. Par conséquent, si nécessaire, le procédé de synthèse superhydrophobe peut être appliquée à d' autres matériaux fonctionnels, tels que des matériaux d'absorption IR 31, des matériaux anti-corrosion 32 ou même des cellules solaires 33.
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Acknowledgments
Le Fonds travail décrit dans le présent document a été soutenu par une subvention de la CII-HK / PolyU Innovation. Un soutien supplémentaire a été fourni par le Plan Peacock Shenzhen (KQTD2015071616442225) et le gouvernement chinois du programme « Mille Talent » (Y62HB31601). En outre, l'aide du Département de biologie appliquée et de technologie chimique de l'Université polytechnique de Hong Kong et l'Institut de recherche de l'Université polytechnique de Hong Kong pour le développement urbain durable (RISUD) est appréciée.
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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