TiO<sub> 2</sub> -belagda ihåliga glasmikrosfärer med superhydrofob och High IR-reflekterande egenskaper syntetiserades genom ett Soft-kemi Metod
Summary
This manuscript proposes a soft-chemistry method to synthesize superhydrophobic, TiO2-coated hollow glass microspheres (HGM) with high IR-reflective properties.
Abstract
Detta manuskript föreslår en mjuk-kemi metoden för att utveckla superhydrofoba och mycket IR-reflekterande ihåliga glasmikrosfärer (HGM). Anatas TiO 2 och ett superhydrofob medel belades på HGM ytan i ett steg. TBT och PFOTES utvaldes som Ti källan och superhydrofoba medlet, respektive. De båda belagda på HGM, och efter hydrotermisk process, vände TBT att anatas TiO 2. På detta sätt, en PFOTES / TiO 2 -belagda HGM (MCHGM) framställdes. För jämförelse, PFOTES enkelbelagd HGM (F-SCHGM) och TiO 2 enkelbelagd HGM (Ti-SCHGM) syntetiserades också. De PFOTES och TiO 2 beläggningar på HGM ytan demonstrerades genom röntgendiffraktion (XRD), svepelektronmikroskop (SEM), och energi-dispersiv detektor (EDS) karakteriseringar. Den MCHGM uppvisade en högre kontaktvinkel (153 °), men en lägre glidvinkel (16 °) än F-SCHGM, med en kontaktvinkel av 141,26; och ett glidvinkel på 67 °. Dessutom har både Ti-SCHGM och MCHGM visas liknande IR reflektivitet värden, som var ca 5,8% högre än den ursprungliga HGM och F-SCHGM. Också, den PFOTES beläggningen knappt förändrats värmeledningsförmågan. Därför, F-SCHGM, med en värmeledningsförmåga av 0,0479 W / (mK), var ganska som den ursprungliga HGM, som var 0,0475 W / (mK). MCHGM och Ti-SCHGM var också likartade. Deras termiska konduktivitetsvärden var 0,0543 W / (mK) och 0,0543 W / (mK), respektive. TiOj 2 beläggningen ökade något värmeledningsförmågan, men med ökningen i reflektionsförmåga, var den totala värmeisoleringsegenskap förbättras. Slutligen, eftersom den IR-reflekterande egenskapen tillhandahålls av HGM beläggningen, om beläggningen är nedsmutsad, minskar reflektiviteten. Därför, med superhydrofoba beläggning är ytan skyddas från nedsmutsning, och dess livslängd är också förlängd.
Introduction
Ihåliga glasmikrosfärer (HGM) är oorganiska material som varierar i storlek från 10 till 100 um. De visar många användbara funktioner, såsom utmärkt dispergering, hög flödesförmåga, låg densitet, och överlägsna värmeisoleringsegenskaper 1, 2, 3, 4. På grund av deras ihålig struktur, HGM har en extremt låg värmeledningsförmåga 10, 11. Av dessa skäl, är de appliceras på många områden, inklusive flygteknik 5, djuphavs utforskning 6, 7, vätelagring 8, 9, etc. Men de fortfarande uppvisa vissa nackdelar, såsom låg hållfasthet. Dessutom är IR-ljus kan sända genom HGM och värma motivet bakom. därföre, ytmodifieringar på HGM är avgörande för att minska strålnings termisk överföring. En effektiv metod är att belägga en IR-blockerande material på HGM ytan. Som en halvledare, har TiO 2 använts i många områden, såsom foto-katalys 12, 13, solcell utveckling, sensortillverkning 14, miljötillämpningar 15, och energilagring 16. Dessutom visar det också låg utstrålning i synligt ljus och infrarött band 17, 18, 19. Därför, för våra syften, TiO 2 var en försiktig val på grund av dess relativt lågt pris och hög prestanda.
Emellertid är beläggningen ganska lätt för föroreningar att trassla, som allvarligt påverkar reflektionsförmågan hos TiOj 2. Den reflektions måste minska gradvis. Därför, en self-rengöring beläggning är viktigt att förhindra beläggningen från nedsmutsning och för att förlänga arbetstiden för en sådan beläggning.
I detta manuskript, var en mjuk-kemimetod som används för att utveckla superhydrofob TiO 2 belagd HGM. Tetrabutyltitanat (TBT) och 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) valdes som Ti källan och superhydrofoba medel, respektive. De hydrolyserades och deponerades på HGM ytan. Sedan, efter den hydrotermiska processen, anatas TiO 2 bildas på HGM ytan, och de superhydrofoba egenskaperna förblev. För jämförelse, PFOTES enkelbelagd HGM (F-SCHGM) och TiO 2 enkelbelagd HGM (Ti-SCHGM) syntetiserades också. Syntesschemat visas i Figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta manuskript, är det kritiska steget i protokollet den hydrotermiska processen. Den påverkar bildningen av TiO 2, den sista reflektionsförmåga, och superhydrophobicity. Kontrolltemperatur och reaktionstiden är också ganska betydande. Om reaktionsförhållandena förändras, kan de slutliga produkterna vara bristfällig.
Denna metod erbjuder ett enkelt sätt att syntetisera superhydrofob och mycket IR-reflekterande HGM i ett steg. I tidigare forskning ades superhydrofob…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Det arbete som beskrivs i detta dokument stöddes av ett bidrag från CII-HK / PolyU Innovation Fund. Ytterligare stöd tillhandahölls av Shenzhen Peacock Plan (KQTD2015071616442225) och den kinesiska regeringen "Tusen Talent" Program (Y62HB31601). Dessutom är hjälpen från Institutionen för tillämpad biologi och kemiteknik i Hongkong Polytechnic University och Hong Kong Polytechnic University Research Institute för hållbar stadsutveckling (RISUD) uppskattat.
Materials
| 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
- Yung, K. C., Zhu, B. L., Yue, T. M., Xie, C. S. Preparation and properties of hollow glass microsphere-filled epoxy-matrix composites. Compos. Sci. Technol. 69 (2), 260-264 (2008).
- Xu, N., Dai, J., Zhu, Z., Huang, X., Wu, P. Synthesis and characterization of hollow glass-ceramics microspheres. Compos. Sci. Technol. 72 (4), 528-532 (2011).
- Li, B., Yuan, J., An, Z., Zhang, J. Effect of microstructure and physical parameters of hollow glass microsphere on insulation performance. Mater. Lett. 65 (12), 1992-1994 (2011).
- Hu, Y., Mei, R., An, Z., et al. Silicon rubber/hollow glass microsphere composites: Influence of broken hollow glass microsphere on mechanical and thermal insulation property. Compos. Sci. Technol. 79, 64-69 (2013).
- Geleil, A. S., Hall, M. M., Shelby, J. E. Hollow glass microspheres for use in radiation shielding. J. Non-Cryst. Solids. 352, 620-625 (2006).
- Khimiya. . Handbook of Fillers for Polymeric Composite Materials [Russian translation]. , (1981).
- Greiner-Bar, G. HoNe Mikroglaskugeln. Herstellung, Eigenschaften und Anwendung. Silikattechnik. 40 (1), 23-25 (1989).
- Kool, L. B. Method for storing hydrogen, and related articles and systems. United States Patent. , (2010).
- Brow, R. K., Schmitt, M. L. A survey of energy and environmental application of glass. J. Eur. Ceram. Soc. 29, 1193-1201 (2009).
- Awaja, F., Arhatari, B. D. X-ray Micro Computed Tomography investigation of accelerated thermal degradation of epoxy resin/glass microsphere syntactic foam. Composites Part A. 40 (8), 1217-1222 (2009).
- Wang, S., Luo, R., Ni, Y. Preparation and characterization of resin-derived carbon foams reinforced by hollow ceramic microspheres. Mater. Sci. Eng., A. 527 (15), 3392-3395 (2010).
- Carp, O., Huisman, C. L., Reller, A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide. Prog. Solid State Chem. 32 (1), 33-177 (2004).
- Fujishima, A., Rao, T. N., Tryk, D. A. Titanium dioxide photocatalysis. J. Photochem. Photobiol. C. 1 (1), 1-21 (2000).
- Fujishima, A. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature. 238 (5358), 37-38 (1972).
- Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W., et al. Environmental applications of semiconductor photocatalysis. Chem. Rev. 95 (1), 69-96 (1995).
- Chen, X., Mao, S. S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications. Chem. Rev. 107 (7), 2891-2959 (2007).
- Yuan, J., An, Z., Li, B., et al. Facile aqueous synthesis and thermal insulating properties of low-density glass/TiO2 core/shell composite hollow spheres. Particuology. 10 (4), 475-479 (2012).
- Yan, H., Yuanhao, W., Hongxing, Y. TEOS/silane coupling agent composed double layers structure: A novel super-hydrophilic coating with controllable water contact angle value. Appl. Energy. , (2015).
- Wang, Y., Yang, H., Lu, L. Three-dimensional double deck meshlike dye-sensitized solar cells. J. Appl. Phys. 108 (6), 064510 (2010).
- Wang, Y., Yang, H., Xu, H. DNA-like dye-sensitized solar cells based on TiO 2 nanowire-covered nanotube bilayer film electrodes. Mater. Lett. 64 (2), 164-166 (2010).
- Wang, Y., Lu, L., Yang, H., et al. Development of high dispersed TiO2 paste for transparent screen-printable self-cleaning coatings on glass. J. Nanopart. Res. 15 (1), 1-6 (2013).
- Kwok, D. Y., Neumann, A. W. Contact angle measurement and contact angle interpretation. Adv. Colloid Interface Sci. 81 (3), 167-249 (1999).
- Pierce, E., Carmona, F. J., Amirfazli, A. Understanding of sliding and contact angle results in tilted plate experiments. Colloids Surf., A. 323 (1), 73-82 (2008).
- Kim, W. S., Kim, T. H., Kim, E. S., et al. Microwave dielectric properties and far infrared reflectivity spectra of the (Zr0. 8Sn0. 2) TiO4 ceramics with additives. Jpn. J. Appl. Phys. 37 (9S), 5367 (1998).
- Hasselman, D. P. H., Johnson, L. F. Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance. J. Compos. Mater. 21 (6), 508-515 (1987).
- Cassie, A. B. D., Baxter, S. Wettability of porous surfaces. Trans. Faraday Soc. 40, 546-551 (1944).
- Wenzel, R. N. Resistance of solid surfaces to wetting by water. Ind. Eng. Chem. Res. 28 (8), 988-994 (1936).
- Shirtcliffe, N. J., McHale, G., Newton, M. I., et al. Intrinsically superhydrophobic organosilica sol-gel foams. Langmuir. 19 (14), 5626-5631 (2003).
- Rothstein, J. P. Slip on superhydrophobic surfaces. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 89-109 (2010).
- Rodošek, M., Kreta, A., Gaberšček, M., et al. Ex situ IR reflection-absorption and in situ AFM electrochemical characterisation of the 1, 2-bis (trimethoxysilyl) ethane-based protective coating on AA 2024 alloy. Corros. Sci. 102, 186-199 (2016).
- Jiang, J., Zhang, J., Zhu, P., et al. High pressure studies of Ni 3[(C 2 H 5 N 5) 6 (H 2 O) 6](NO 3) 6· 1.5 H 2 O by Raman scattering, IR absorption, and synchrotron X-ray diffraction. RSC Adv. 6 (69), 65031-65037 (2016).
- Arukalam, I. O., Oguzie, E. E., Li, Y. Fabrication of FDTS-modified PDMS-ZnO nanocomposite hydrophobic coating with anti-fouling capability for corrosion protection of Q235 steel. Journal of Colloid and Interface Science. 484, 220-228 (2016).
- Hou, W., Xiao, Y., Han, G., et al. Serrated, flexible and ultrathin polyaniline nanoribbons: An efficient counter electrode for the dye-sensitized solar cell. J. Power Sources. 322, 155-162 (2016).
