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表面微纳米精细结构的构建及其性能研究

吉海燕  
【摘要】:润湿性是固体表面的重要性质之一,也是最常见的一类界面现象,主要由固体表面化学组成和微观结构共同决定。润湿性不仅直接影响自然界中动植物的生命活动,而且在许多高新技术领域和日常生活中也起着重要的作用。近年来,具有防污自清洁功能的超疏水表面受到越来越多的关注,已经成为表面功能材料研究的热点。本论文针对目前超疏水表面研究中遇到的系列问题,如制备工艺繁琐、成本较高、稳定性不良及对外界环境变化的智能化响应研究不够充分等,利用多种技术手段在不同类型材料表面构筑了微纳米复合结构,获得了具有超疏水性能的表面;通过对表面微观结构和化学成分的控制,实现了对固体表面润湿性的调控;结合实验结果,提出了相应的机理,取得了以下主要成果: 1.采用溶剂-非溶剂法,在聚丙烯溶液中添加丙酮,控制聚丙烯表面的结晶形貌,成功制备出具有微米-纳米分级结构的聚丙烯表面。这种超级结构不经过任何修饰就具备超疏水的性能,与水的接触角高达160°,滚动角为4°。稳定性实验表明,改性聚丙烯的超疏水表面呈现良好的化学和环境稳定性。 2.通过在聚丙烯溶液中添加纳米二氧化钛,制备了超疏水PP/TiO2表面。这种表面具有类花瓣二元微米纳米复合结构,与水的接触角为169°,滚动角为4°。稳定性测试表明,该表面呈现良好的耐酸碱性。经紫外光照射,PP/TiO2表面由超疏水向疏水转变,停止照射并放置一段时间后又转变为超疏水,呈现可逆变化。 3.采用溶剂-非溶剂法制备了具有超粘附力的聚苯乙烯表面,该表面不经过任何修饰就具备超疏水的性能,与水的接触角高达153°。水滴在该表面很难滚落,即使表面倒置也不会掉落,这为粘附超疏水表面在无损液体运输领域的应用提供了可能。机理分析显示,高粘附产生的原因可能是聚苯乙烯材料本身的特性与聚苯乙烯微球结构的共同结果。 4.通过在聚苯乙烯溶液中添加二氧化钛来控制其表面形貌,实现了超疏水PS/TiO2表面的构建。所得到的表面与水的接触角随着聚苯乙烯干燥温度的升高而增大,当干燥温度为180℃时,静态接触角高达163°,这是由于添加纳米二氧化钛和溶剂挥发所引起表面结构的变化及干燥温度使得表面成分变化的共同结果。超疏水PS/TiO2表面光响应性研究发现,在紫外光照射下,该表面从超疏水转变为超亲水,但在黑暗中放置15d,其表面又恢复为超疏水,润湿性呈现可逆变化。 5.采用湿化学反应法在铜基表面构建了微米花与纳米管的分级结构,经过硬脂酸修饰后,水滴与表面的静态接触角高达175°,滚动角为5°。这种类荷叶状结构是构造仿生滚动超疏水性表面的最理想结构。润湿性转变行为研究表明,该表面的润湿性可通过等离子体处理和硬脂酸修饰的交替作用来实现超疏水与超亲水的可逆转换。 6.通过盐酸刻蚀和沸水处理在铝片上构筑了由突起、孔洞和纳米鳞片组成的粗糙结构,这种表面结构结合全氟辛酸修饰显示稳定的超疏水性及低的滚动角滞后。稳定性研究表明,该表面具有良好的耐酸碱性。另外,该表面经过等离子体处理后快速由超疏水转变为超亲水,重新经全氟辛酸修饰,表面又恢复为超疏水性,表明该表面润湿性的转换具有可逆性。 7.通过湿化学法和表面化学修饰构造的玻璃表面与水的接触角为155°,滚动角为8°。分析认为,这种表面的超疏水性能是玻璃表面构筑的类藤状精细结构及乙烯基三乙氧基硅烷表面修饰改性作用的综合体现。稳定性研究表明,该表面具有良好的化学和环境稳定性。


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