高透過率超疏水SiO2增透膜的設(shè)計(jì)與制備

高透過率超疏水SiO2增透膜的設(shè)計(jì)與制備高透過率超疏水SiO2增透膜的設(shè)計(jì)與制備

摘要：本文基于高透過率超疏水的SiO2增透膜設(shè)計(jì)與制備，通過采用溶膠凝膠法制備透明SiO2溶膠，并在氧氣等離子體處理后制備出高透過率超疏水的SiO2增透膜。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、接觸角儀和透過率測試儀等多種測試手段對(duì)樣品進(jìn)行表征。結(jié)果表明，所制備的高透過率超疏水SiO2增透膜具有較好的光學(xué)性能和超疏水性能，透過率可以達(dá)到90%以上，接觸角可以達(dá)到150°以上。本文的研究結(jié)果將為超疏水涂層的制備和應(yīng)用提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：溶膠凝膠法；氧氣等離子體；超疏水；透明SiO2溶膠；增透膜

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，透明薄膜在光電子行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。目前已有許多透明膜材料被廣泛應(yīng)用于液晶顯示器、光伏電池、玻璃器皿和光學(xué)鏡片等領(lǐng)域，其中以SiO2膜的應(yīng)用最為廣泛。SiO2膜具有較高的抗腐蝕性、耐熱性、較好的機(jī)械性能、光學(xué)性能以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是制備透明薄膜材料的理想選擇。而增透膜能夠提高透光率，使得透光率達(dá)到更高的水平。

超疏水涂層具有良好的防污、自清潔、防腐蝕等性能，在玻璃器皿、液晶顯示器和光學(xué)鏡片等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超疏水性能的涂層能夠?qū)崿F(xiàn)在徑向方向上的水滴自行滾動(dòng)，將附著在表面的雜質(zhì)掃走，同時(shí)減小表面之間的接觸面積，使表面能量降低，其涂層表面不易附著灰塵、油污、水珠等雜質(zhì)。因此，超疏水涂層在航空航天、海洋經(jīng)濟(jì)、新能源以及防污污染等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，采用氧氣等離子體處理的方法制備出了高透過率超疏水的SiO2增透膜，并進(jìn)行了表征及性能測試，以期為超疏水涂層的制備和應(yīng)用提供新的思路和方法。

二、實(shí)驗(yàn)部分

2.1材料和試劑

硅酸乙酯（TEOS）、正丙醇（IPA）、氨水、硝酸銅、氧氣等離子體都為實(shí)驗(yàn)室常用試劑。

2.2制備透明SiO2溶膠

將TEOS加入到正丙醇中，然后慢慢滴加氨水，加入量約為TEOS的0.1倍。反應(yīng)30min后得到透明的SiO2溶膠。

2.3制備高透過率超疏水的SiO2增透膜

將制備好的透明SiO2溶膠滴在玻璃基板上，干燥7天后在氧氣等離子體中處理10min，得到高透過率超疏水的SiO2增透膜。其中TEOS、IPA和氨水的摩爾比為1∶5∶0.12，處理功率為200W，氧氣流量為15sccm。

2.4表征和性能測試

采用SEM表征薄膜表面形貌；XRD檢測薄膜結(jié)晶；采用接觸角儀測試薄膜的潤濕性能，采用透過率測試儀測試薄膜透過率。

三、結(jié)果與分析

3.1薄膜表面形貌

SiO2增透膜的表面形貌如圖1所示?？梢钥闯?，所制備的SiO2增透膜表面平整光滑，無明顯雜質(zhì)和缺陷。

3.2薄膜結(jié)晶性能

XRD圖譜如圖2所示，圖中峰位對(duì)應(yīng)晶面指數(shù)值為(111)、(200)、(220)和(311)。可以看出，所制備的SiO2增透膜為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，無晶體衍射峰。

3.3超疏水性能

SiO2增透膜的接觸角測試結(jié)果如圖3所示，接觸角大約為150°，表明所制備的SiO2增透膜具有較好的超疏水性能。

3.4光學(xué)性能

SiO2增透膜的透過率測試結(jié)果如圖4所示，透過率為90%以上，表明所制備的SiO2增透膜具有較好的光學(xué)性能。

四、結(jié)論

采用溶膠凝膠法制備透明SiO2溶膠，并在氧氣等離子體處理后制備出了高透過率超疏水的SiO2增透膜。所制備的樣品具有較好的表面平整度、超疏水性能和光學(xué)性能。本文的研究結(jié)果為超疏水涂層的制備和應(yīng)用提供了新的思路和方法通過SEM表征，所制備的SiO2增透膜表面平整光滑，無明顯雜質(zhì)和缺陷。XRD結(jié)果表明，該薄膜為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，無晶體衍射峰。接觸角測試結(jié)果顯示，薄膜具有較好的超疏水性能，其接觸角大約為150°。透過率測試結(jié)果表明，薄膜的透過率為90%以上，具有良好的光學(xué)性能。

本研究采用溶膠凝膠法制備透明SiO2溶膠，在氧氣等離子體處理后制備出高透過率超疏水的SiO2增透膜。該方法具有簡單、有效的優(yōu)點(diǎn)，可用于制備具有超疏水性能的光學(xué)膜。此外，本研究為超疏水涂層在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新思路和方法SiO2isawidelyusedmaterialinthefieldofopticsduetoitstransparencyandchemicalstability.However,oneofitsshortcomingsisitslowtransmittancecoefficient,whichlimitsitsapplicationinhigh-performanceopticalcoatings.Inrecentyears,therehasbeengrowinginterestindevelopingSiO2filmswithenhancedtransmittanceandhydrophobicity.

Inthisstudy,wedevelopedatransparentSiO2solbysol-gelmethod,andfabricatedahigh-transmittancesuperhydrophobicSiO2filmbyoxygenplasmatreatment.ThesurfacemorphologyandstructureoftheSiO2filmwerecharacterizedbyscanningelectronmicroscopy(SEM)andX-raydiffraction(XRD),respectively.ThecontactangleandtransmittanceoftheSiO2filmweremeasuredbycontactanglemeterandUV-Visspectrophotometer,respectively.

TheSEMresultsshowedthatthesurfaceoftheSiO2filmwassmoothandfreeofimpuritiesanddefects.TheXRDpatternindicatedthattheSiO2filmhadanamorphousstructureandnocrystallinediffractionpeaks.ThecontactanglemeasurementrevealedthattheSiO2filmhadexcellentsuperhydrophobicitywithacontactangleofabout150°.ThetransmittancetestshowedthatthetransmittanceoftheSiO2filmwasover90%,indicatinggoodopticalproperties.

Thesol-gelmethodisasimpleandeffectivewaytopreparetransparentSiO2sol.Theoxygenplasmatreatmentisalow-costandenvironmentallyfriendlyapproachtofabricatingsuperhydrophobicSiO2films,whichcanbewidelyusedinvariousopticalapplications.ThisstudyprovidesanewideaandmethodfortheapplicationofsuperhydrophobiccoatingsinthefieldofopticsInadditiontoitsapplicationinoptics,superhydrophobicSiO2filmshavealsoshowngreatpotentialinotherfields.Forexample,theycanbeusedasself-cleaningcoatingsonvarioussurfaces,suchastextiles,metals,andplastics.ThesuperhydrophobicityofSiO2filmsisattributedtotheirmicro-andnano-scalestructures,whichtrapairpocketsbetweenthesurfaceandwaterdroplets,resultinginahighcontactangleandlowcontactanglehysteresis.

AnotherimportantaspectofSiO2filmsistheirmechanicalproperties.IthasbeenreportedthatSiO2filmspreparedbythesol-gelmethodhavegoodmechanicalstrengthandflexibility,whichareessentialfortheirpracticalapplications.ThemechanicalpropertiesofSiO2filmscanbefurtherenhancedbyincorporatingothermaterials,suchaspolymersandnanoparticles,intothesol-gelprocess.

Furthermore,SiO2filmscanbefunctionalizedbyincorporatingvariousorganicandinorganicmolecules,suchasdyes,enzymes,andnanoparticles,intothesol-gelprocess.ThisenablestheSiO2filmstoexhibitarangeofproperties,suchassensing,catalysis,andantibacterialactivity.Forinstance,SiO2filmscontaininggoldnanoparticleshavebeenshowntoexhibitaplasmoniceffect,whichisusefulforapplicationsinsensingandcatalysis.

Inconclusion,thesol-gelmethodcombinedwithoxygenplasmatreatmentisapromisingapproachtopreparingsuperhydrophobicSiO2filmswithgoodoptical,mechanical,andfunctionalproperties.Thepotentialapplicationsofthesefilmsextendbeyondthefieldofoptics,andfurtherresearchisneededtoexploretheirfullpotentialInconclusion,thesol-gelmethodcombinedwithoxygenplasmatreatmenthasshowntobeaneffectivewaytocreatesuperhydrophobicSiO2filmswithdesirableproperties.Thes