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疏水化表面处理的现象与机制

李少伟  
【摘要】:超疏水表面在自清洁、防腐蚀和减阻等领域有广阔的应用前景。制备超疏水表面需要满足低的表面能和微纳米的粗糙结构。本文研究了利用有机分子自组装和CO_2分解导致C沉积两种方法降低材料表面能时的一些现象和科学问题;同时,研究了聚合物/金属复合疏水涂层表面一种新奇结构的形成机制。本文主要内容如下:利用溶液沉积法在(0001)面单晶氧化铝表面制备了硬脂酸(SA)自组装膜(SAMs),通过在不同温度下退火处理后观察SA SAMs的脱附情况。实验发现,SA SAMs的表面覆盖度在退火温度达到70℃时依然可以保持不变,超过80℃后随着温度的升高逐渐降低,在200℃时变为零。当温度从130℃到140℃范围时出现了一些明显的特征转变,如相转变、表面覆盖度变化以及SA岛的相对高度差变化。SA SAMs在氧化铝表面复杂的键合方式是这些转变的原因。另外,还发现预先热处理对SA SAMs经水流冲洗后的形貌有重要的影响以及高湿度的气氛处理能提高SA SAMs耐乙醇清洗的能力。利用原子力显微镜研究了不同湿度预处理的氧化硅表面十八烷基三氯硅烷(OTS)SAMs的生长规律。结果显示,表面过量的水层会阻碍OTS岛的形核和生长。表面适当的水分在初始阶段有助于OTS岛的形核和生长,但后期OTS SAMs的生长会变得非常缓慢。表面水含量稀少时OTS SAMs以恒定的速率生长并且完整成膜所需的时间最短。表面水分子的迁移是造成生长机制差异的原因,低迁移性的水层可为OTS SAMs提供稳定的生长环境。同时研究了不同相结构的OTS岛的纳米机械性能,结果显示有序致密排列的OTS岛具有较强的纳米机械强度。利用改进后的等离子喷嘴制备了金属(Fe和Cr)和聚合物(PFA)的混合涂层。比较喷涂后的表面,Cr/PFA涂层表面覆盖一层绒毛状的结构而Fe/PFA涂层表面则没有这种结构。测试结果表明,绒毛状结构材料主要来源于PFA且喷涂后的PFA本质上和粉末原料PFA一样。等离子喷涂过程中,PFA粒子与Cr颗粒碰撞时被Cr颗粒附近的挥发物打散可能是这种绒毛状结构生成的主要原因;而Fe颗粒在等离子喷涂时并不会产生挥发物,因此没有出现这种绒毛状结构。研究了自发疏水化金属涂层分解CO_2的机制。结果表明:大气等离子喷涂制备的活性铁氧体包含FeO和缺氧氧化铁[Fe_3O_(4-δ)(0δ1)];其复杂的相组成,尤其是FeO使其吸附和分解CO_2的能力优于常规氢还原法制备的活性铁氧体;同时,等离子喷涂时的喷距可以影响活性铁氧体吸附和分解CO_2的效率,温度也可促进其催化分解CO_2。


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