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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2016年
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静电纺丝法制备仿荷叶效应热粘性纤维薄膜的研究

岳兵兵  
【摘要】:自然界中的生物经过上亿万年的进化,形成结构与功能、局部与整体高度协调统一的各种生物体,适应于多变的自然环境。对生物特定结构和功能的研究与模仿,为创造出新型结构和功能的材料提供了方法和思路。例如荷叶表面具有自清洁功能,模仿荷叶表面的结构和成分特征,通过各种手段制备出具有荷叶效应的表面材料,在能源、环境、建筑、生物工程等领域都有重要的应用价值。本论文探索一种新的不受基材物理和化学性质限制的仿荷叶效应表面的制备方法,且具备随时可以更换的特殊功能,为荷叶效应表面的广泛应用提供一种新的思路。这种荷叶效应表面是通过双喷头静电纺丝法,制备的复合纤维薄膜,其底部由聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醋酸乙烯酯(PVAc)纳米纤维组成,表面则由掺杂了改性纳米二氧化硅(mSiO2)的PVDF复合纤维组成。这种具有热粘性的仿荷叶自清洁复合薄膜,被称为荷叶效应胶带。具体研究内容包括以下两个部分:荷叶效应胶带表面性能的研究。主要包括mSiO2的掺杂对PVDF纤维薄膜表面形貌结构和润湿性的影响,一方面利用扫面电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征手段考察了掺杂二氧化硅纳米颗粒前后纤维表面结构的变化。分析结果表明,mSiO2和PVDF纤维构筑了仿荷叶结构的微纳米复合阶层结构,大大增加了纤维表面的粗糙度,且随着掺杂量的增大,纤维表面纳米颗粒堆积变得密集。另一方面通过静态接触角(CA)和动态接触角(SA)测量了水珠在复合薄膜表面的浸润性。测定结果表明,纳米颗粒的掺入能大大提高纺丝薄膜表面的接触角,使其具有优异的超疏水性。同时,微/纳米结构的构筑也使得复合薄膜表面具有良好的自清洁性,水珠在其表面的滚动角低至5°以下。除此之外,将纯的PVDF薄膜和mSiO2@PVDF复合薄膜分别浸泡在酸碱溶液以及饱和氯化钠溶液中一定时间,测量两种膜的接触角变化,结果表明,复合薄膜的超疏水性具有更好的化学稳定性。荷叶效应胶带对基材表面的改性研究。主要包括复合薄膜的粘结条件比较,以及在不同材质的基材表面的粘结性和脱粘结性的研究。通过电熨斗加热法,调整加热时间和加热温度,使荷叶效应胶带牢固地粘结在基材上,赋予基材荷叶表面,测定90°方向的剥离强度,选取最优的加热条件。为了基材恢复原有的表面性质,研究了将荷叶表面改性过的基材浸泡的脱离液中,使其能迅速脱离基材表面,并经过清洗和干燥后重复使用的效果。对荷叶效应胶带进行多次粘结—脱粘结循环,并测量每次循环中的表面形貌、润湿性和粘结强度,发现6次循环之后复合薄膜表面仍具有仿荷叶的微纳米复合结构和自清洁性。
【关键词】:仿生材料 荷叶效应 静电纺丝 自清洁性 热粘性
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ342.94;TB383.2
【目录】:
  • 摘要5-7
  • abstract7-11
  • 第一章 绪论11-29
  • 1.1“荷叶效应”及其理论研究11-14
  • 1.1.1 荷叶效应的提出与应用11-12
  • 1.1.2 荷叶表面的水珠接触理论12-14
  • 1.2 荷叶表面的构建14-18
  • 1.2.1 金属材料的仿荷叶表面制备14-15
  • 1.2.2 无机物仿荷叶涂层的制备15-16
  • 1.2.3 有机材料仿荷叶表面的制备16-18
  • 1.3 静电纺丝法及其构建具有层级纳米结构功能材料的应用18-25
  • 1.3.1 静电纺丝技术简介18-19
  • 1.3.2 静电纺丝技术原理及装置19-20
  • 1.3.3 静电纺丝纤维形貌控制20-22
  • 1.3.4 静电纺丝法制备多级结构纳米纤维22-25
  • 1.4 本论文的研究思路和研究内容25-29
  • 1.4.1 本文的研究思路25-26
  • 1.4.2 本文的研究内容26-29
  • 第二章 静电纺丝法制备仿荷叶效应薄膜及表面润湿性研究29-41
  • 2.1 前言29
  • 2.2 实验部分29-31
  • 2.2.1 实验试剂29-30
  • 2.2.2 实验仪器30
  • 2.2.3 制备mSiO_2@PVDF复合纤维薄膜30-31
  • 2.2.4 mSiO_2@PVDF复合纤维薄膜的表征方法31
  • 2.3 结果讨论31-39
  • 2.3.1 mSiO_2@PVDF复合纤维薄膜的表面形貌表征31-35
  • 2.3.2 mSiO_2@PVDF复合纤维薄膜的表面润湿性和自清洁性表征35-37
  • 2.3.3 mSiO_2@PVDF复合纤维薄膜表面超疏水性的化学稳定性分析37-39
  • 2.4 本章小结39-41
  • 第三章“荷叶效应胶带”的制备及对基材表面改性行为研究41-53
  • 3.1 前言41
  • 3.2 实验部分41-44
  • 3.2.1 实验试剂41-42
  • 3.2.2 实验仪器42
  • 3.2.3 mSiO_2@PVDF/PVAc“荷叶效应胶带”的制备42-43
  • 3.2.4“荷叶效应胶带”的表征方法43-44
  • 3.3 结果讨论44-51
  • 3.3.1“荷叶效应胶带”熨烫加热条件的探究44-45
  • 3.3.2“荷叶效应胶带”在固体基材表面的粘结行为45-47
  • 3.3.3“荷叶效应胶带”在固体基材表面粘结—脱落行为研究47-49
  • 3.3.4“荷叶效应胶带”在柔软基材表面的改性行为研究49-51
  • 3.4 本章小结51-53
  • 第四章 总结与展望53-55
  • 4.1 总结53
  • 4.2 展望53-55
  • 参考文献55-61
  • 攻读硕士期间发表的学术论文与专利申请61-63
  • 致谢63-64

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