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《武汉大学》 2019年
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基于化学气相沉积法构建疏水材料及其性质和应用探索

喻丽莎  
【摘要】:液体对固体表面的润湿行为是表面化学中非常重要的研究内容,调控材料表面的化学组分和微观几何结构可以有效调节其润湿性。研究者们利用各种物理化学方法赋予材料疏水性质并加以开发利用,使其具有基础研究和商业应用价值。然而,由于制备方法繁琐、成本高、材料不易获取,一些疏水材料在工业化应用上仍然面临着巨大的挑战。本工作希望通过简单、绿色和高效的化学气相沉积法来构建功能化疏水材料,扩展材料的应用范围。本论文的创新包括以下几点:(1)首次通过真空辅助化学气相沉积法(VCVD)构建疏水性砂芯漏斗,研究疏水砂芯的理化性质以及应用,深入探讨其表面润湿机理;(2)将VCVD方法应用于纤维素材料的疏水改性,证明该方法的普适性,并详细考察了疏水性滤纸的性质及应用;(3)通过VCVD方法制备硅烷修饰的纤维素纳晶,并将疏水改性的纤维素纳晶应用于植物油增稠。本论文的主要研究内容和结论包括以下几个部分:基于简单、绿色的VCVD法,将砂芯漏斗与气相全氟辛基三乙氧基硅烷(PFTS)反应构建疏水砂芯表面。随着反应时间、温度以及表面粗糙度的增大,砂芯表面的水接触角由120°提高至149°。定性和定量研究了PFTS改性砂芯表面的润湿行为,证明疏水砂芯表面的润湿模型符合部分润湿的Cassie模型。疏水砂芯漏斗在强酸/强碱/高浓度盐溶液中仍然保持着优异的化学稳定性和力学耐受性,具有良好的油下超疏水性以及自清洁性能。同时,疏水改性砂芯漏斗成功应用于油水分离。其中,G2-4.0h的油水分离效率在循环20次后仍然高达99%,在重力作用下乙醚通量达到11000 L m~(-2) h~(-2);对G3-4.0h施加3.8 kPa的真空度,其乙醚通量更是高达20000 L m~(-2) h~(-2);孔径尺寸较小的G4-4.0h~G6-4.0h成功应用于乳液分离。上述结果表明疏水改性砂芯漏斗可应用于各类不同的领域。基于VCVD方法简单、高效、适用性强等优点,将其应用于制备形态各异的疏水性纤维素材料。深入研究了滤纸与PFTS的反应历程,结果表明PFTS与纤维素上的羟基反应并且在纤维表面形成聚集颗粒。在合适的反应条件,滤纸中硅烷的含量可以达到45-55 g/g,水接触角达到146±3°。与原始滤纸相比,硅烷修饰的滤纸(SFP)在湿态下力学性能大幅提高,热稳定性也有所增强。SFP可用于油水分离,经过30次循环使用仍然保持高的分离效率(~99%),同时滤纸的性质不受影响,并在酸碱盐溶液中表现出良好的化学耐受性。此外,基于气-固相反应的改性方法可连续化制备疏水纤维材料,在短时间内即可使粘胶纤维的水接触角由0°提高至132°,使疏水性纤维素类材料具备规模化生产的可能。通过化学改性制备氨基修饰的纤维素纳晶(ACNC),极大提高了纤维素纳晶的热稳定性;再基于简单的VCVD法对ACNC进行硅烷化反应。通过XPS和FT-IR证明十二烷基三甲氧基硅烷(n-DDTS)成功接枝在纤维素纳晶表面。经过n-DDTS修饰的纤维素纳晶具有优异的疏水亲油性,可以很好地分散在葵花籽油、花生油等植物油中,表现出良好的增稠性能,在高固含量时甚至可以形成油凝胶。疏水改性纳晶/油分散液的复合粘度具有温度依赖性和剪切变稀的性质。此外,随着油分散液中疏水改性纤维素纳晶含量的增大,体系会出现液晶相。本论文基于简单、绿色、高效的化学气相沉积法构建各种疏水性材料,证明该方法适用于无机到高分子材料,具有很好的普适性;并对疏水改性材料的结构与性质进行表征,阐明了材料表面结构与润湿性之间的关系,开发了它们在油水分离、自清洁、油增稠等领域的应用,研究成果具有学术价值和应用前景。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB306

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