溶胶-凝胶SiO_(2)减反膜的制备与光学性能研究

碱催化溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜具有优异的光学性能及抗激光损伤性能,是高功率激光装置中的重要组成部分,但其与光学元件之间的结合强度低,使得膜层易发生接触破坏。本研究以“神光II”高功率激光装置溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜为基础,通过提拉法在其表层涂覆致密的SiO_(2)薄层后得到机械强度提升的双层SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-MTES),并与常用的单层氨固化SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-HMDS)进行相关应用性能的综合比较。结果表明,涂覆SiO_(2)-MTES的熔石英在约800 nm处的峰值透过率大于99.6%,运用1-on-1激光损伤阈值测试方法测得该双层SiO_(2)减反膜的零几率激光损伤阈值为51.9 J/cm^(2)(1064 nm,9.1 ns),与涂覆SiO_(2)-HMDS的性能相当。同时,SiO_(2)-MTES膜层与水的接触角达到117.3°,且在相对湿度大于90%的高湿环境中膜层的透过率较稳定。多次擦拭实验结果表明SiO_(2)-MTES的耐摩擦机械强度明显优于SiO_(2)-HMDS,有效提升了膜层与光学元件之间的结合强度。

纳米SiO_(2)/聚偏二氯乙烯复合涂膜对溏心蛋保鲜效果

通过纳米SiO_(2)/聚偏二氯乙烯(polyvinylidene chloride,PVDC)乳液涂膜溏心蛋,并测定贮藏过程中溏心蛋理化指标和感官品质的变化,研究其对溏心蛋贮藏保鲜效果。结果表明:在贮藏期间经纳米SiO_(2)/PVDC涂膜的溏心蛋在失重率、蛋清蛋黄盐分含量变化方面稳定性高于其余各组,同时该组溏心蛋菌落总数超标时间相比其余3组延长1~2周。而经涂膜处理的各组溏心蛋的蛋清和蛋黄pH值稳定性明显高于对照组,但是在蛋清持水力和蛋黄黏度方面各组无明显区别。综合各品质指标变化和感官评定结果,纳米SiO_(2)/PVDC复合涂膜组在维持溏心蛋色香味稳定方面效果最明显。

疏水SiO_(2)纤维膜的制备及其油水分离性能

探讨疏水SiO_(2)纤维膜的制备及其油水分离性能。以硅酸四乙酯和甲基三甲氧基硅烷为原料,采用静电纺丝技术制备疏水SiO_(2)纤维膜并测试其油水分离性能。结果表明:SiO_(2)纤维膜的水接触角为126°,疏水性良好,可以仅在重力作用下有效地分离不同种类的油水混合物。对于重油‐水和轻油‐水混合物的分离通量均高于16 225 L/(m^(2)·h),分离效率大于97.9%。经过10次循环后通量损失均低于3.73%,循环稳定性好。认为:疏水SiO_(2)纤维膜在环境保护方面,特别是在含油废水的处理方面具有潜在应用。

抗细菌黏附氟化SiO_(2)纳米纤维膜的制备及其性能

探讨抗细菌黏附氟化SiO_(2)纳米纤维膜的制备及性能。以硅酸四乙酯(TEOS)为硅源得到SiO_(2)静电纺丝液,将全氟辛基三甲氧基硅(FAS)掺入纺丝液中,利用静电纺丝法制得抗细菌黏附的氟化SiO_(2)纳米纤维膜。结果表明:氟化SiO_(2)纳米纤维膜具有良好的疏水性,可有效抵御亲水环境中悬浮的细菌细胞,防止其在纤维膜表面黏附。将氟化SiO_(2)纳米纤维膜与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌混合培养24 h,从抗菌平板上发现其具有较为优异的抗菌活性。此外,利用L929细胞在培养24 h和72 h后对其体外细胞毒性进行检测,发现氟化SiO_(2)纳米纤维膜仍保持较低的细胞毒性。认为:抗细菌黏附氟化SiO_(2)纳米纤维膜可进一步拓展抗菌纤维的应用。

PVDF-PFTS/SiO_(2)膜制备及抗混合污染性能

采用表面接枝技术制备了PVDF-PFTS/SiO_(2)超疏水复合膜,通过扫描电子显微镜(SEM)和红外光谱(FTIR)分析了膜污染前后的表面结构和组成,考察了直接接触式膜蒸馏(DCMD)装置出水电导率和膜通量的变化,利用XDLVO理论分析了PVDF-PFTS/SiO_(2)超疏水复合膜的抗混合污染性能和机理。结果表明:在1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷(PFTS)和SiO_(2)共同作用下,PVDF-PFTS/SiO_(2)超疏水复合膜表面形成微纳米复合乳突结构,水接触角(WCA)由99°增至155°。与PVDF基膜相比,PVDF-PFTS/SiO_(2)超疏水复合膜对混合污染物具有较好的抗污染性能;连续运行10h,膜通量和截留率分别保持在10.06kg/(m^(2)·h)和99.80%。XDLVO理论分析表明,PVDF-PFTS/SiO_(2)超疏水复合膜表面与污染物之间的作用力由引力转变为斥力是其抗混合污染性能增强的主要原因之一。

两亲SiO_(2)纳米颗粒的制备和界面扩张流变行为研究

制备了一种两亲SiO_(2)纳米颗粒,借助红外光谱及接触角测量证实了相关基团在SiO_(2)纳米颗粒表面的成功接枝,探究了其界面活性和界面扩张流变行为。通过动态界面张力测量及小幅正弦振荡实验发现,两亲SiO_(2)纳米颗粒相比亲水和疏水SiO_(2)纳米颗粒能够更稳定地吸附在界面形成一层吸附膜,降低界面张力,同时由于其扩散交换速度较慢,界面扩张模量大于亲水和疏水SiO_(2)纳米颗粒。进一步的大幅线性压缩实验发现两亲SiO_(2)纳米颗粒在表面比为0.35时其界面吸附量会发生激增,扩张模量迅速增大,其形成的界面膜具有抵抗较大程度形变的能力。

纳米SiO_(2)-壳聚糖/脱脂豆粕复合膜的制备及保鲜性能测定

为了改善脱脂豆粕蛋白膜的性能,添加化学性能稳定,能够改善薄膜透明度和力学性能的壳聚糖,以及提高阻水率和改善薄膜脆性较和延伸性的纳米二氧化硅等,制备纳米SiO_(2)-壳聚糖/脱脂豆粕复合膜,并对壳聚糖膜或脱脂豆粕膜以及复合膜的抗氧化和抗菌性能进行测定。试验结果显示,在8%(w/v)的脱脂豆粕中加入浓度为0.05%(v/v)的丙三醇、0.06 g的纳米SiO_(2)、4.0%(w/v)浓度的壳聚糖、0.1%浓度的亚硫酸钠条件下制备的复合膜,透光率为80.41%,水蒸气透过率为5.384 g·mm/h·m^(2)·kPa,水溶性为28.36%。自由基清除率为8.53%,抗菌率为18.68%,自由基清除率和抗菌性与壳聚糖膜或脱脂豆粕膜相比较得到显著提升,可以为食品的保鲜提供一定理论依据。

静电纺丝制备柔性SiO_(2)纳米纤维膜的研究

利用静电纺丝技术,采用聚乙烯醇(PVA)作为模板,以水为溶剂,配制PVA和硅酸四乙酯(TEOS)的共混溶液,制备柔性SiO_(2)纳米纤维膜。然后采用电镜扫描观察纤维膜的形貌,并研究分析不同煅烧温度下所制备的柔性SiO_(2)纳米纤维膜的晶体结构、拉伸性能、柔性和弯曲性能。结果表明:在本次试验条件下,700℃是最适宜的煅烧温度,此时纤维膜内部结构和柔韧性都较为良好;由于无定形区域增多,纤维膜具备优良的柔韧性,以及具有优良的可弯曲性能。

大孔对ZnO/SiO_(2)复合脱硫剂常温脱硫性能的影响机制

煤化工行业作为我国主要的碳排放源,在双碳目标的约束下将面临巨大挑战。煤制气体精脱硫是煤炭高效清洁利用的重要组成部分,对于碳减排意义重大。氧化锌是目前普遍使用的干法精脱硫剂,但受动力学的限制,其在常温下的脱硫活性非常低,无法满足工业应用要求。孔扩散是氧化锌与H_(2)S反应发生的前提,但目前鲜有报道研究孔径,特别是大孔对脱硫性能的影响及影响机制。基于此,采用溶胶凝胶法和胶晶模板法分别制备了以介孔为主和以大孔为主的ZnO/SiO_(2)复合脱硫剂,探究了大孔结构的引入对其常温脱硫性能的影响。研究表明,尽管大孔的引入会增加脱硫剂的比表面积、强化表面碱性、提高氧化锌的分散性以及增加脱硫剂中氧空位浓度,但会导致脱硫剂脱硫性能大幅下降。介孔脱硫剂的穿透硫容为151.9 mg/g,是大孔脱硫剂的脱硫性能的2.3倍。这是因为大孔结构不稳定,在脱硫过程中易坍塌,阻碍了氧化锌反应位点的获取。气氛中的水汽在大孔表面不利于凝聚成水膜,进而抑制了脱硫反应的发生。更为重要的是,大孔制备过程中由于模板剂的燃烧会释放大量热,致使SiO_(2)网络发生深度交联,从而减小了脱硫剂中的介孔孔径。较小的介孔孔径导致其表面物理吸附水的量过多,进而抑制了氧化锌与H_(2)S的反应。

纳米SiO_(2)-马铃薯氧化羟丙基淀粉复合膜的制备及性能表征

以新型材料马铃薯氧化羟丙基淀粉(potato oxidizes hydroxypropyl starch,POHS)为基材,纳米SiO_(2)为增强剂,制备一种综合性能良好的纳米SiO_(2)-POHS复合膜。研究纳米SiO_(2)添加量、乳酸钙的添加量、糊化温度、糊化时间对POHS膜机械性能的影响,并结合响应面设计试验,探讨各因素之间的交互作用,得出复合膜制备的最佳工艺配方。通过傅里叶红外光谱分析、扫描电镜、X-射线衍射分析对膜结构进行表征,并测定其不透明度,水蒸气透过率,透油系数等物理指标。结果表明,当纳米SiO_(2)添加量为15%(质量分数),糊化温度85℃,乳酸钙添加量为3%(质量分数),糊化时间70 min时,复合膜的拉伸强度为14.72 MPa。所制得的复合膜厚度降低了15.79%,不透明度增加了83.54%,水蒸气透过系数降低了37.91%,透油系数降低了38.04%。综上,纳米SiO_(2)的加入能够有效提高膜的综合性能。

SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔中Ti超导薄膜特性的研究

设计良好的光学谐振腔是提高超导转变边沿传感器(TES)光学效率的有效手段,光学谐振腔结构厚度的变化,不仅对TES的光学效率有影响,而且会产生不同的残余应力进而影响TES的超导特性。研究了以超导Ti膜为TES功能层材料,同时选用SiO_(2)-SiN_(x)体系作为光学谐振腔薄膜。通过对数值仿真,确定了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔薄膜厚度变化对Ti-TES光学吸收效率的影响。分析了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔不同薄膜厚度的变化自身应力随之变化的趋势,最后制备了不同厚度SiO_(2)-SiN_(x)光学谐振腔的TES,并进行光学吸收效率的测试,验证了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔薄膜厚度对Ti-TES光学吸收效率变化的规律。

基于胺基改性纳米SiO_(2)的有机-无机杂化纳滤膜制备与性能

以聚醚砜纳滤膜为基膜,采用胺基改性纳米SiO_(2)掺杂树状聚酰胺-胺(PAMAM)作为水相改性剂制备了一类有机-无机复合纳滤膜。通过条件优化实验确定较佳界面聚合条件为有机相单体w(均苯三甲酰氯)=0.5%、w(PAMAM)=0.3%、w(SiO_(2))=0.3%、处理时间90 s、处理温度80℃。在该条件下,纳滤膜对无机盐的截留率为67.3%、通量为31.3 L/(m^(2)·h),对模拟污水的分离性能优于采用未改性纳米SiO_(2)制备的有机-无机复合纳滤膜。制备的纳滤膜对4种模拟矿化污水的截留顺序为Na_(2)SO_(4)>KCl>CaCl_(2)>MgCl_(2)。

纳米SiO_(2)Pickering乳化沥青机械稳定性分析

乳化沥青稳定性的研究应用大多关注静置状态下的物理稳定性,却忽视了其在运送搅拌振动后的机械稳定性,而机械稳定性不足是乳化沥青出现质量问题的一个重要因素。为了提升乳化沥青的机械稳定性,本文分别将纳米SiO_(2)作为乳化剂和添加剂得到纳米SiO_(2)Pickering乳化沥青和纳米SiO_(2)改性乳化沥青,进行物理和机械稳定性的分析,并以SBR改性乳化沥青作为对比参照。通过测试静置和机械振荡后3种乳化沥青在不同储存时间下的筛余量和蒸发残留物差异,以及微观观测乳化沥青液滴分布及粒径变化,试验结果表明经过机械振荡后纳米SiO_(2)Pickering乳化沥青仍保持了较好的稳定性,而另外两种乳化沥青的稳定性则衰减较多。对3种乳化沥青的液滴进行了电镜观测,分析了乳化沥青碰撞过程电荷变化,观测发现纳米SiO_(2)Pickering乳化沥青液滴表面均匀镶嵌着固体纳米SiO_(2)形成一层密实的固体界面膜,普通改性乳化沥青界面膜薄且光滑,而添加纳米SiO_(2)的乳化沥青液滴表面的纳米SiO_(2)分散且不均匀。因此拥有更强界面膜强度的纳米SiO_(2)Pickering乳化沥青具有更佳的机械稳定性。

TiO_(2)/SiO_(2)双层减反射镀膜玻璃的制备

利用膜层设计软件TFCalc提供理论指导,设计出一种glass/TiO_(2)/SiO_(2)/air双层膜系结构,通过溶胶-凝胶法分别制备TiO_(2)和SiO_(2)溶胶。探究溶胶体系中不同水钛比、pH等对TiO_(2)膜层折射率的影响,在水钛比为3.5∶1,pH为2.5时,TiO_(2)膜层折射率为1.85,与SiO_(2)膜层的折射率最适配。结合二次镀膜前固化炉的炉丝0~200℃上下加热方式等工艺改进,制成的双层减反射镀膜玻璃在380~1100 nm区间平均透过率达94.38%,560 nm处最高可达94.8%,相对单层SiO_(2)膜玻璃有明显的提高。

POB改性Nano–SiO_(2)/PTFE复合材料的摩擦转移特性研究

为了研究填充聚苯酯(POB)对Nano–SiO_(2)改性聚四氟乙烯(PTFE)复合材料转移膜演化及摩擦性能的影响,采用冷压成型、热烧结的工艺方法制备Nano–SiO_(2)/POB–PTFE和Nano–SiO_(2)/PTFE两种复合材料;采用间歇称重法和原位观察法,在LSR–2M型往复摩擦磨损试验机上进行干摩擦试验;利用AXIO Imager.A2m光学显微镜、QUANTA FEG 450热场发射扫描电镜和MicroXAM–800非接触式3维表面轮廓仪分别表征转移膜的表面形貌、微观结构和3维形貌,从微观角度分析摩擦转移机理。试验结果表明,Nano–SiO_(2)/PTFE复合材料的转移膜在对偶表面上形貌变化较快,不断重复“生成–脱落”过程,并伴随严重磨损,且没有形成较完整的转移膜。此外,生成的转移膜分层明显,且脱落痕迹显著,并有大量米粒状的磨屑附在对偶面上,导致反光性较差。而用POB填充Nano–SiO_(2)/PTFE复合材料不仅增强了转移膜在对偶表面上的黏附力,还促进了均匀、连续转移膜的更好形成,对偶表面反光性好;并且,Nano–SiO_(2)/POB–PTFE复合材料的磨损率较Nano–SiO_(2)/PTFE复合材料降低了两个数量级。POB有强黏附性,而Nano–SiO_(2)在摩擦过程中易嵌入对偶面形成机械互锁,故这两种填料共同改性PTFE可形成协同减磨效应,从而有效促进复合材料转移膜的均匀生成及稳固黏附,并大幅降低磨损率。本文的研究结论对斯特林发动机活塞环干摩擦密封材料的研制有良好的指导意义,有利于碟式太阳能热发电系统高性能密封件的研发。

PVDF/SiO_2杂化内支撑型中空纤维膜的制备及性能研究

利用涤纶纤维丝(PET)编织管作为内支撑层,将纳米SiO_2添加到聚偏氟乙烯(PVDF)铸膜液中,通过涂覆-浸没沉淀相转化法制得PVDF/SiO_2杂化内支撑型中空纤维膜,考察了铸膜液中不同SiO_2含量对膜性能的影响。结果表明,PET编织管的加入,使中空纤维膜的拉伸强度超过50 MPa。随着纳米SiO_2含量增加,膜的接触角从78.5°降至60.6°,杂化膜的纯水通量增大、孔隙率提高。X射线衍射仪图谱表明,SiO_2的加入未改变PVDF的主要晶型构成。当SiO_2的质量分数为1.5%时,杂化膜的纯水通量达到192.6 L/(m^2·h),孔隙率为68%,拥有了优异的过滤性能。

相转化结合溶胶凝胶法制备PVDF/SiO_(2)杂化微孔膜

采用溶胶凝胶结合相转化法制备PVDF/SiO_(2)杂化微孔膜,通过TEOS溶胶凝胶原位生成SiO_(2)实现其纳米分散,同时与直接添加纳米SiO_(2)方式进行对比。在铸膜液体系热力学相图绘制基础上,选取最佳热力学制膜条件,结合膜结构和形貌分析、热分析和拉伸性能分析。结果表明,TEOS的成核作用更好,其凝胶过程会促进微孔的形成,得到双连续的蜂窝状微孔结构。当PVDF质量分数为15%,TEOS质量分数为1.0%时能得到最优的复合膜,其耐热性及力学性能得到提高,拉伸强度可达到12.3 MPa,断裂伸长率为245%。

微乳液法制备纳米SiO_(2)及其改性PVA-CS薄膜的性能

以正硅酸乙酯为原料,采用曲拉通-100/正戊醇/环己烷/乙二胺微乳体系制得了一系列纳米SiO_(2),通过激光粒度分析仪测定了它们的平均粒径及粒度分布,得到了优化的微乳液配方。采用XRD、SEM对样品结构和形貌进行表征,所制得的纳米SiO_(2)为无定型结构的球形粒子,粒径20~40 nm。通过流延法制备了PVA-CS和SiO_(2)/PVA-CS薄膜,力学性能和热重分析表明,在PVA-CS薄膜中掺杂适量的纳米SiO_(2)能显著提高PVA-CS薄膜的断裂伸长率、拉伸强度和热稳定性。

SiO_(2)表面金属包覆处理对铜基粉末冶金材料制动摩擦磨损性能的影响

为改善摩擦组元SiO_(2)颗粒与铜基体间界面结合性能,通过表面金属包覆处理的方式制备铜包覆SiO_(2)。分别以铜包覆SiO_(2)和普通SiO_(2)颗粒作为摩擦组元之一,利用SPS烧结技术制备2种铜基粉末冶金摩擦材料。分析2种摩擦材料的微观组织、力学及物理性能,在MM1000-Ⅱ型惯性制动试验台上测试2种摩擦材料的制动摩擦磨损性能,并对2种摩擦材料的摩擦表面及其三维形貌特征、磨屑特征和摩擦表面物相进行微观分析,研究SiO_(2)表面金属包覆处理对制动条件下铜基粉末冶金材料摩擦磨损性能的影响。结果表明:经铜包覆处理的SiO_(2)与Cu基体间的界面结合性能明显改善,提高了材料的硬度、致密度及导热系数,特别是导热系数得到了显著提升;随着制动初速度的升高,2种摩擦材料的平均摩擦因数均呈现先上升后下降的趋势;在相同的制动条件下,与含普通SiO_(2)材料相比,除了制动压力为0.8 MPa、制动初速度为100 km/h外,在其他各制动条件下含铜包覆SiO_(2)材料具有较高的平均摩擦因数和较低的磨损率,且其摩擦表面更为平整;提高制动初速度均能够促进2种摩擦材料表面形成以氧化膜为主的摩擦膜,且含铜包覆SiO_(2)材料的摩擦膜更均匀,因而保护作用更好,即磨损率低。

P(VDF-HFP)-SiO_(2)/SF电纺Janus纤维膜的制备及油水分离应用

以疏水纳米SiO_(2)改性的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP)-SiO_(2))和丝素蛋白(SF)为原料,利用静电纺丝技术,构建了具有非对称润湿性的P(VDF-HFP)-SiO_(2)/SF复合Janus纳米纤维膜。采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪、傅里叶红外光谱仪及水接触角测量仪对纤维膜的微观形貌、组成、结构及润湿性进行了表征,并测试了Janus纤维膜的疏水层厚度对油水分离通量及分离效率的影响。结果表明,采用P(VDF-HFP)-SiO_(2)纤维膜为疏水层,SF纤维膜为亲水层构建的Janus纤维膜具有单向水渗透功能及良好的油水分离能力;当疏水层厚度为70μm,亲水层厚度为130μm时,水分离通量可达到了11300 L/(m^(2)·h·MPa),油水分离效率可达99.65%,该研究为Janus油水分离膜的制备提供了新的材料选择。