铜表面复合超输水薄膜的制备及表征

论文摘要

近年来,超疏水表面由于其卓越的自清洁能力、拒水能力和特殊的摩擦性能而受到广泛的关注。铜是一种重要的工业原料,其在导线、微电极的制造及微电子等领域有着极其重要的应用价值,但和其他金属一样,铜的表面容易被污染、腐蚀。通过在铜表面制备具有超疏水性能的有机硅烷薄膜,不仅能极大的增强铜的自清洁能力和缓蚀能力,而且几乎不会影响铜的金属光泽。本实验的目的是寻求一种成本低廉、操作简单的制备铜超疏水表面的方法。首先,从选择基底和自组装化合物入手,选择了出厂后表面粗糙度在5.5μm-7.5μm的铜箔作为自组装基底省去了打磨等粗糙处理的步骤。通过对文献的检索和分析,我们选择了水解后含有-SH、-OH双活性基团的（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷（MPTS）和水解后含有单活性基团（-OH）的正辛基三乙氧基硅烷（OS）作为自组装化合物。MPTS有毒性、恶臭,因此不宜大量使用,但其所含的-SH被证明能和贵金属如Au、Ag、Cu等形成稳定的结合;OS无法直接和Cu通过自组装形成稳定结合,但其具有价格便宜,含有长疏水碳链的优势。因此,我们通过层层自组装的方法在铜表面制备了MPTS/OS复合超疏水膜。这种方法与常规的采用含氟有机物制备超疏水表面的方法相比,具有成本较低的优势。其次,我们对成膜方法和工艺进行了探索、优化,得出了一条制备铜超疏水表面的路线。将MPTS配制成MPTS、去离子水和无水乙醇比例为1:5:94（v/v/v）的溶液,水解24h;OS配制成OS、去离子水、无水乙醇比例为5:20:75（v/v/v）的溶液,调节pH至4.0,水解76h;铜基底丙酮超声清洗15min脱脂,以HNO3（6.5 wt.%）刻蚀60s,自来水终止反应、去离子水超声清洗5min。刻蚀后的基底以MPTS水解溶液自组装24h、无水乙醇冲洗、空气吹干,再自组装OS水解溶液20min、无水乙醇冲洗、空气吹干、120℃固化10min,重复OS自组装过程3次。水解和自组装过程均在35℃水浴中进行。最后,通过接触角仪、扫描电镜、红外光谱和海水实验对超疏水表面的性能进行了测试。结果证明,自组装MPTS/OS复合膜的基底表面静态水接触角达到158.6°,滚动角3°;经过刻蚀的基底表面产生了腐蚀坑和凹槽,获得了纳米-微米阶层复合粗糙结构,自组装硅烷膜后,基底表面覆盖了一层半透明的硅烷聚合膜;红外光谱显示基底表面含有大量的缔合羟基和亚甲基,并且含有Si-O-Si的结构;海水试验证明单独组装MPTS或OS无法增强铜表面的缓蚀能力,自组装MPTS/OS复合膜能有效的增强铜表面的缓蚀能力。本论文的创新点: （1）选择本身具有一定粗糙度的铜箔作为基底,省去了对基底的打磨等粗糙处理的步骤;（2）选择了含有双活性基团的MPTS作为连接物,以一种不易与铜发生结合的较为廉价的有机硅烷（OS）在铜表面制备了具有超疏水性能的复合薄膜。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 接触角理论
• 1.2 超疏水表面
• 1.3 超疏水表面的表征方法简介
• 1.3.1 润湿性表征
• 1.3.2 表面形态表征
• 1.3.3 表面化学成分分析
• 1.3.4 表面其他性能分析
• 1.4 超疏水表面的制备方法
• 1.4.1 修饰低表面能材料
• 1.4.2 修饰粗糙表面
• 1.5 自组装技术
• 1.5.1 自组装分子膜
• 1.5.2 自组装技术的应用及其研究进展
• 1.6 选题依据
• 第二章 铜表面纳米自组装薄膜的制备
• 2.1 材料与仪器
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 主要仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 溶液配制
• 2.2.2 基底的前处理
• 2.2.3 自组装膜的制备
• 2.3 结果分析
• 2.3.1 不同处理的基底表面接触角分析
• 2.3.2 自组装膜层数对接触角的影响
• 2.4 机理分析
• 2.5 小结
• 第三章 超疏水膜的制备
• 3.1 材料与仪器
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 主要仪器
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 溶液的配制及水解
• 3.2.2 基底预处理
• 3.2.3 MPTS 自组装时间研究
• 3.2.4 超疏水表面的制备
• 3.2.5 膜性能检测
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 水解时间及pH 值对硅烷溶液的影响
• 3.3.2 基底表面粗糙度对WCA 的影响
• 3.3.3 OS 溶液pH 值对膜疏水性的影响
• 3.3.4 OS 溶液水解时间对膜疏水性的影响
• 3.3.5 自组装时间和固化对MPTS 膜的影响
• 3.3.6 基底预处理对自组装膜的影响
• 3.3.7 超疏水表面性能测试
• 3.3.8 成膜机理探讨
• 3.4 小结
• 第四章 总结
• 4.1 基底的选择与预处理
• 4.2 自组装条件的优化
• 4.3 超疏水膜性能的研究
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介