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《兰州交通大学》 2016年
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长效超疏水铜基材料的制备与性能研究

杨梅  
【摘要】:铜具有高导电和导热性、适宜的强度、易加工成形等优异性能而被广泛地应用于日常生活和工业生产中。铜粉主要被用来制造摩擦材料、金刚石制品、电触头材料等。但是,铜在使用过程中会产生腐蚀,而将材料表面超疏水化能够改善材料的耐腐蚀性能,并可以赋予铜基材料自清洁等性能。本研究采用两种方案对铜粉进行改性,通过对两种方案制备过程中的工艺条件进行优化最终制备得到了超疏水铜基材料,并对制备得到的超疏水试样的相结构、化学结构、表面相貌进行了研究。此外,对两种方案制备出的试样的超疏水表面的长效性和稳定性、对于污染物的自清洁能力、以及超疏水性能的可再生能力进行了研究,并对机理进行了探讨。主要研究内容和结果如下:(1)将铜粉先进行清洗,然后利用Na OH/(NH4)2S2O8以及硝酸银将铜粉进行氧化,后通过十二烷基硫醇的乙醇溶液进行处理。最后,再通过压制成型制备铜基超疏水材料(简称方案一)。通过单因素法考察了各个工艺条件的影响并得到最佳实验工艺条件:当Na OH/(NH4)2S2O8的浓度分别为0.6 mol/L/0.26 mol/L、硝酸银浓度为0.03 mol/L、十二烷基硫醇浓度为0.15 mol/L、浸泡时间为24 h、压强为150 MPa时得到了接触角为153.2°、滚动角为7°的超疏水铜基材料。通过XRD,EDS对超疏水试样每一步骤下的铜粉的相结构和化学成分进行了分析,再通过FT-IR对十二烷基硫醇组装前后的铜粉的化学结构进行分析,发现十二烷基硫醇的长链成功组装到了铜粉表面。通过SEM观察所制备超疏水试样的表面形貌,可以发现,铜基材料表面呈现出类似手指状的微米-纳米二级粗糙结构,而单个手指状结构的长度为1-3μm,宽度为60 nm左右。这种微观结构及组装的疏水烃基长链是铜基材料具有超疏水性能的根本原因。(2)将方案一中的制备方法继续简化,将清洗后铜粉仅采用硝酸银氧化然后通过十二烷基硫醇改性,再通过压制构建得到接触角为155.2°、滚动角为5°的铜基超疏水表面(简称方案二)。采用单因素法得到的最佳工艺条件为:硝酸银浓度为0.03 mol/L,十二烷基硫醇浓度为0.15 mol/L,浸泡时间为16 h,压强为80 MPa。超疏水试样通过XRD、FT-IR和EDS对不同处理方法下的铜粉的相结构和化学成分进行了分析,并利用扫描电镜观察了所制备的超疏水铜基材料的表面形貌,结果表明:超疏水铜基试样表面存在大量的突起,这些突起构成了类似花菜状的微米-纳米二级粗糙结构,其上组装了十二烷基硫醇长链,从而赋予这种铜基材料具有超疏水性能。(3)对制备的超疏水铜基材料的超疏水特性的长效性和稳定性进行了考察,发现制备的超疏水铜基材料放置10个月以上依然呈现出良好的超疏水性能,表明两种方案制备的试样具有长效稳定性。将两种方案制备的试样在蒸馏水中浸泡一个月后,方案一的试样在20天内接触角仍可达到150°以上,方案二则是15天。这说明两种方案制备的超疏水试样均具有良好的浸泡稳定性。此外,我们将不同p H的酸碱溶液滴在两种方案制备的超疏水试样上,发现当p H为3-14时两种方案制备的铜基材料依然可以保持良好的疏水性能。(4)研究考察了所制备的超疏水铜基材料的自清洁性能和可再生性能。在超疏水铜基材料表面上铺撒上烟灰和粉笔末并倾斜大约5°时,水滴滴在表面后会快速滚动并将污染物颗粒粘在水滴表面而带离,从而使超疏水铜基材料表现出优异的自清洁性能。我们利用手指摁压,在表面上滴上油对两种方案制备试样进行污染,经过打磨后,发现其都可以再次获得超疏水性能,这表明两种方案制备得到的试样的超疏水特性都具有可再生性能。这是由于铜基材料内部和表面具有相同的结构与组成。
【关键词】:铜粉 超疏水 长效性 自清洁 可再生
【学位授予单位】:兰州交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB34
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 1 绪论11-21
  • 1.1 铜11-12
  • 1.1.1 概述11
  • 1.1.2 铜以及铜粉的性能特点及应用11
  • 1.1.3 铜在使用过程中存在的问题11-12
  • 1.2 超疏水表面12-18
  • 1.2.1 超疏水表面简介12-15
  • 1.2.2 超疏水表面制备技术及研究现状15-17
  • 1.2.3 铜基超疏水表面的研究现状17-18
  • 1.3 超疏水材料的应用18-19
  • 1.4 铜基超疏水材料在使用中存在的问题19-20
  • 1.5 本课题的研究内容和意义20-21
  • 2 氢氧化钠/过硫酸铵/硝酸银氧化-十二烷基硫醇修饰法构建铜基超疏水表面21-39
  • 2.1 引言21
  • 2.2 实验部分21-25
  • 2.2.1 实验材料与试剂21
  • 2.2.2 实验仪器21-22
  • 2.2.3 超疏水铜基材料制备方法22-23
  • 2.2.4 试样表征23-25
  • 2.3 结果与讨论25-38
  • 2.3.1 NaOH浓度对铜基材料表面润湿性的影响25-26
  • 2.3.2 DM浓度对铜基材料表面润湿性的影响26-28
  • 2.3.3 DM的浸泡时间对铜基材料表面润湿性的影响28-29
  • 2.3.4 压强对铜基材料表面润湿性的影响29-31
  • 2.3.5 不同压强下压制的铜基材料的抗压强度与表观密度研究31-32
  • 2.3.6 处理方法对铜粉相结构及化学结构的影响32-36
  • 2.3.7 铜基材料的表面形貌及润湿性36-37
  • 2.3.8 铜基材料表面超疏水机理37-38
  • 2.4 本章小结38-39
  • 3 硝酸银氧化-十二烷基硫醇浸泡构建超疏水表面39-55
  • 3.1 引言39
  • 3.2 实验部分39-41
  • 3.2.1 主要实验材料和仪器39-40
  • 3.2.2 试样制备方法40
  • 3.2.3 试样表征方法40-41
  • 3.3 结果与讨论41-54
  • 3.3.1 硝酸银浓度对铜基材料表面润湿性的影响41-43
  • 3.3.2 DM浓度对铜基表面润湿性的影响43-44
  • 3.3.3 DM浸泡时间对铜基表面润湿性的影响44-46
  • 3.3.4 压强对铜基表面润湿性的影响46-47
  • 3.3.5 不同压强下压制的铜基材料的抗压强度与表观密度研究47-49
  • 3.3.6 处理方法对铜粉相结构的影响49-50
  • 3.3.7 处理方法对铜粉化学结构影响50-52
  • 3.3.8 铜块的表面形态和润湿性52-53
  • 3.3.9 铜基材料表面的超疏水机理探究53-54
  • 3.4 本章小结54-55
  • 4 铜基材料表面超疏水性能的长效性和稳定性研究55-61
  • 4.1 引言55
  • 4.2 实验部分55
  • 4.2.1 主要实验材料55
  • 4.2.2 铜基材料表面超疏水性能的长效性和稳定性测试方法55
  • 4.3 结果与讨论55-60
  • 4.3.1 铜基材料表面超疏水性能的放置稳定性55-56
  • 4.3.2 铜基材料表面超疏水性能的浸泡稳定性56-58
  • 4.3.3 铜基材料表面超疏水性能对酸碱溶液的稳定性58-60
  • 4.4 本章小结60-61
  • 5 铜基超疏水表面的自清洁与可再生性能研究61-68
  • 5.1 引言61
  • 5.2 实验部分61
  • 5.2.1 自清洁性能测试方法61
  • 5.2.2 可再生性能测试方法61
  • 5.3 结果与讨论61-66
  • 5.3.1 超疏水铜基材料的自清洁性能测试61-63
  • 5.3.2 超疏水表面的自清洁性能机理探讨研究63-64
  • 5.3.3 铜基材料表面超疏水性能的再生性能测试64-66
  • 5.3.4 超疏水表面的可再生性能机理探讨研究66
  • 5.4 本章小结66-68
  • 6 结论与展望68-70
  • 6.1 结论68-69
  • 6.2 展望69-70
  • 致谢70-71
  • 参考文献71-75
  • 攻读学位期间的研究成果75

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