1 引 言
超疏水材料是指這種材料的表面對水的靜態接觸角在 150°以上，對水為絕對疏水，且滾動角 < 20°[1].
接觸角越大，表面上的水珠就越圓，當接觸角達到 90°以上就稱為疏水性表面，當接觸角達到150°時，水珠就能在表面上滾動，從而達到超疏水的效果（ 也稱為荷葉效應）[2].根據 Cassie-Baxiter[3]提出的狀態理論，超疏水狀態必須滿足兩個條件： （ 1） 材料界面為疏水性表面（ 即接觸角 >90°） ; （ 2） 材料的表面必須有一定粗糙度微結構，以托起液滴，阻止因液滴接觸到材料表面的底部而降低滾動角。
超疏水材料在很多領域都有很大的應用價值，主要利用其自清潔性、防腐蝕性和超疏水性等獨特的表面性質[4].超疏水性涂層的研究始于 1950 年[4],目前超疏水性表面的制備方法主要有以下兩種途徑： （ 1）直接采用疏水性的材料，并用物理或化學方法改變材料表面的粗糙度以及表面形貌[5]; （ 2） 在粗糙的材料表面上進行疏水改性或者在其表面覆蓋 1 層低表面能的疏水性物質[6].超疏水涂層制備方法主要有： 升華物質微粒成孔法[7]、化學氣相沉積法[8]、離子體處理法[9]、溶膠-凝膠法[10-11]等。
本文所用的氣凝膠是以水玻璃為原料，采用微乳液法在常壓干燥工藝下制得的粉體氣凝膠，經三甲基氯硅烷（ TMCS） 表面疏水改性后溶于丙酮制成涂層。
通過將氣凝膠涂層涂于混凝土表面，測試其疏水性和耐水性等，證明超疏水性氣凝膠粉體涂層能達到保護無機建筑物不受污染物附著、雨水侵蝕的效果。
2 實 驗
2. 1 實驗材料與試劑
本文采用的原材料包括水玻璃（ 模數 3. 30、SiO273. 08% 、Na2O24. 12% ） ,十六烷基三甲基溴化銨（ CTAB） ,三甲基氯硅烷（ TMCS） ,正丁醇，工業級煤油（ 密度 7. 58 g/mL） ,工業級氨水（ pH 值約為 12） ,無水乙醇，正己烷，732 鈉型強酸性陽離子苯乙烯交換樹脂，去離子水，丙酮。
2. 2 超疏水性氣凝膠粉體制備
按 V（ 水） ∶ V（ 水玻璃） =3∶ 1 稀釋水玻璃，并通過離子交換柱去除 Na+; 加入 10 mL 煤油和一定量的陽離子表面活性劑 CTAB 及助表面活性劑正丁醇，并使用磁力攪拌機攪拌，得到澄清的微乳液； 滴加氨水溶液，形成細微的水凝膠后加去離子水，浸泡 12 h 陳化，用無水乙醇洗滌、抽濾，以除去煤油和多余的 CTAB,再用無水乙醇和正己烷作溶劑替換 6 h; 最后用 TMCS 進行溶劑替換和疏水改性 12 h 后用正己烷洗滌未反應的 TMCS,恒溫干燥至恒重，得到硅氣凝膠粉體。
2. 3 氣凝膠粉體疏水性測定及涂層制備
氣凝膠粉體分別在 150,250,350,450 和 600 ℃的溫度下保溫 2 h,待氣凝膠冷卻后取出，稱重。經過處理的氣凝膠放置于去離子水中，每隔一段時間取出氣凝膠，干燥稱重后即可獲得氣凝膠在不同溫度處理下的吸水率。
分別將 0. 01,0. 05,0. 15 和 0. 30 g 氣凝膠粉體與5 mL丙酮混合，用毛刷涂刷在混凝土表面，丙酮揮發之后材料表面即留下 1 層氣凝膠涂層，測定不同粉體質量與丙酮所制備出的涂層達到超疏水性所涂刷的最少次數，以及超疏水涂層的對水沖刷和浸泡的耐久性。
2. 4 氣凝膠粉體及涂層技術性能測試SiO2氣凝膠經熱處理后，用吸水率來表征其疏水損失； 采用 Nicolet 6700 傅里葉變換紅外光譜儀測定SiO2氣凝膠的 FT-IR 光譜，研究 SiO2氣凝膠中的基團； 氣凝膠涂層的接觸角采用接觸角界面張力儀測定，以接觸角的大小表征其疏水性； 采用 JSM-5610LV 掃描式電子顯微鏡（ SEM） 對氣凝膠的表面形貌進行觀察。
3 結果與討論
3. 1 溫度對氣凝膠粉體疏水性影響及其紅外分析
本文采用三甲基氯硅烷（ TMCS） 為表面疏水改性劑，主要是因為 TMCS 的表面張力與交換溶劑正己烷的相近，在疏水改性過程中不會因為表面張力相差過大形成應力而造成凝膠孔隙結構的破壞。同時 TMCS和凝膠中的羥基（ Si-OH） 發生反應，生成硅烷基（ Si-CH3） 從而實現疏水改性。
圖 1 為不同溫度下處理的氣凝膠粉體的吸水率值，250 ℃ 以下時，吸水率為零； 350℃ 時，吸水率達到5. 9% ,且不隨時間上升； 而當溫度為 450℃ 時，短時間內吸水率達到了 360%; 600℃處理過的氣凝膠在接觸到水的一瞬間幾乎完全溶解，吸水率為無窮大。圖 2 為不同溫度處理后的氣凝膠 FT-IR 圖，可以看出，150 和250 ℃處理過的氣凝膠，其波數在2 846,1197,871 cm- 1處存在強的硅烷基團 Si-CH3吸收峰，氣凝膠表現疏水特性。當溫度為 350 和 450 ℃ 時，波數在 1 100 cm- 1處吸收峰逐漸增強，說明氣凝膠的中的 Si-CH3基團逐漸被氧化成 Si-O 基團，氣凝膠由疏水性向親水性轉變。600 ℃處理之后的氣凝膠硅烷基團振動吸收峰消失，波數在 3 434 cm- 1的-OH 基團和波數在 1 638 cm- 1的 H-OH 基團振動吸收峰增大，說明此時氣凝膠轉變為親水性。
3. 2 不同配比氣凝膠涂層的疏水性分析
250 ℃ 以下時氣凝膠粉體具有超疏水性，以150 ℃處理過的氣凝膠粉體制備涂層。表 1 為不同氣凝膠粉體/丙酮配比的涂層達到超疏水性所需要的涂刷次數，當氣凝膠粉體在 5 mL 丙酮中分散之后，涂刷次數隨著氣凝膠粉體質量的增加而減少。當氣凝膠粉體含量較少時，每次涂刷后留在材料表面的粉體顆粒少，不足以形成超疏水性涂層，需要增加涂刷次數。當氣凝膠粉體濃度達到 0. 06 g/mL（ 0. 30 g/5. 0 mL） 時，涂刷1 次即可達到超疏水性。在混凝土表面涂覆 1 層超疏水性氣凝膠涂層，被水沖洗之后，有涂層的那部分并沒有被水沾濕，而無涂層的部分則被水浸潤（ 如圖 3 所示） .另外，涂刷次數還和基底材料的性質有關，當基底材料為玻璃等較光滑的表面時，粉體顆粒不能有效地粘附在表面之上，從而不能形成超疏水涂層。
3. 3 超疏水氣凝膠涂層的微觀形貌分析
對 0. 06 g/mL 的超疏水涂層進行 SEM 分析，如圖4 所示，氣凝膠粉體吸附于基底材料表面形成涂層。
氣凝膠涂層之所以為超疏水性，是因為它滿足了 Cass-ie-Baxiter 狀態的兩個條件： （ 1） 經 TMCS 的改性，氣凝膠的 表 面 的-Si-OH 硅 羥 基 已 經 被 硅 烷 基 團-Si-CH3取代，所以表面為疏水性表面； （ 2） 氣凝膠與 TMCS 反應造成表面脫落，凹凸不平，具有很大的不平整度。從 SEM 圖也可以明顯的看到，涂層表面具有一定的粗糙度。
3. 4 超疏水氣凝膠涂層的耐久性測定
用超疏水涂層分別涂刷在 10 cm ×5 cm 的干燥混凝土試塊表面，對涂層混凝土進行浸泡和沖刷實驗，并測量接觸角。其中，沖刷過程采用 100 mL/s 流量的自來水正面沖刷試塊。
由圖5 可知，浸泡實驗，涂層接觸角維持在150°以上，保持超疏水特性。在沖刷試驗中，接觸角迅速降低，0. 5 min 時降為 150°，如圖 6 所示。武漢年均降水量為 1 269 mm,故可得武漢在50 cm2的面積上年均降水為 50 × 1 269/10 mL =6 345 mL.以 0. 5 min 來計算超疏水涂層的耐久性： 0.5 × 60 × 100 × 12 /6 345 = 5. 67 （ 月） .因此，氣凝膠涂層在武漢氣候降雨量下可以保持 5. 67 個月的超疏水性。當涂層的接觸角降到 95°以后，繼續沖刷，接觸角沒有明顯下降，說明在長時間沖刷下，涂層仍能保持一定的疏水性。
由圖7 可以看出，沖刷前，涂層覆滿整個基底材料的表面，而沖刷之后，氣凝膠粉體明顯減少，僅剩部分粉體吸附在表面，而其接觸角也降低到 95°。實驗還觀察到，超疏水涂層并不耐擦洗，僅一次擦洗就能使涂層喪失疏水性，因為涂層僅是靠粉體吸附形成，吸附力不大。
4 結 論
（ 1） 溫度對氣凝膠通過影響其表面的 Si-CH3硅烷基基團來影響其疏水性，250 ℃ 以下時氣凝膠為超疏水性，350 ℃以上時，因 Si-CH3基團被氧化超疏水性逐漸降低，600 ℃時，Si-CH3基團全部被氧化，轉變為親水性氣凝膠。
（ 2） 涂層的疏水性與氣凝膠粉體在分散體系中的質量比有關，當氣凝膠粉體的質量達到 0. 06 g/mL丙酮以上，只需涂刷 1 次即可形成超疏水性涂層。
（ 3） 超疏水氣凝膠涂層是以超疏水性粉體吸附在基底材料表面形成的涂層，其接觸角最大可達161°；水浸泡不會降低氣凝膠涂層的超疏水性能，當考慮雨水沖刷時，此涂層在武漢氣候下可以保持超疏水性5. 67 月，但不耐擦洗。
