超疏水表面的制备及疏水性研究

论文摘要

润湿性是固体表面的重要特征之一,它由表面的化学组成和微观几何结构共同决定。通常用水滴在固体水平面上的静态接触角CA（contact angle）衡量固体表面的润湿性。当CA<90°, CA<5°时,分别称之为亲水、超亲水材料;当CA>90°, CA>150°时,分别称之为疏水、超疏水材料。除静态接触角外,滚动角也是影响薄膜超疏水性的一个重要因素,前进角和后退角越接近,滚动角越小,固体表面的疏水性越好。一个真正意义上的超疏水表面应该具有较大的静态接触角和较小的滚动角。近年来,超疏水材料因其在防雪、抗氧化、自净、微流体注射、防止电流传导、防污染、防腐等方面有广泛的应用前景而备受关注。通常,超疏水性界面可以通过以下两种方法制备:一种是在疏水界面上构建粗糙结构,所用方法有溶胶-凝胶法、水热法、等离子体刻蚀、阳极氧化法、相分离法、模板法、电化学沉积法、结晶控制法等;另一种是在粗糙表面上修饰低表面能物质,常用的低表面能物质有氟化烷基硅烷、氟聚合物、蜡、长链烷基硫醇等。本文分别以载玻片、铜片、锌片为基底,用水热法、溶胶-凝胶法、溶液浸泡刻蚀法制得粗糙表面,经低表面能材料线性低密度聚乙烯、辛基三甲氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷表面修饰后表现出良好的超疏水性。本论文分以下四章:第一章:介绍了与超疏水有关的基本概念、理论、研究现状、超疏水薄膜的制备方法、表征方法及其发展前景。第二章:用水热法,以硝酸锌和六次甲基四胺为原料制得粗糙的氧化锌亚微米棒薄膜,经线性低密度聚乙烯涂层修饰、辛基三甲氧基硅烷,十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷修饰后表现出超疏水性。第三章:以乙酸锌为原料制得ZnO溶胶,以载玻片为基底,制得ZnO薄膜,然后以沉积的氧化锌粒子为晶种,将此ZnO薄膜浸入硝酸锌和六次甲基四胺的混合液水热反应3-6小时,制得纳米ZnO阵列薄膜,然后把此纳米ZnO阵列薄膜连同锌片一同浸入甲酰胺溶液65℃水热反应6天,在锌片上制得粗糙的ZnO微米花瓣,经十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷表面修饰后,表现出超疏水性。第四章:用紫铜片,黄铜片为基底,经十八酸的乙醇溶液浸泡3-6天,显示出超疏水性,静态接触角大于150°,滚动角小于5°;用锌片为基底,经十八酸的乙醇溶液浸泡3-6天,静态表观接触角达到142°,经辛基三甲氧基硅烷表面修饰后接触角达到150°,显示出较好的超疏水性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 液体在固体表面的润湿作用
• 1.1.1 沾湿
• 1.1.2 浸湿
• 1.1.3 铺展
• 1.2 接触角理论
• 1.2.1 接触角的定义
• 1.2.1.1 Young’s方程
• 1.2.1.2 Wenzel模型
• 1.2.1.3 Cassie 模型
• 1.2.1.4 Cassie-Wenzel 间的过渡模型
• 1.3 润湿性的动力学分析
• 1.3.1 滚动角
• 1.3.2 滚动角的计算
• 1.3.3 滚动角和接触角之间的关系
• 1.3.4 接触角滞后
• 1.3.5 滞后作用与滚动角之间的关系
• 1.4 自然界中有趣的超疏水现象
• 1.4.1 水黾腿部的超疏水性
• 1.4.2 蝉翼表面的超疏水性
• 1.4.3 蝴蝶翅膀、水鸟羽毛的超疏水性
• 1.4.4 荷叶表面的超疏水性
• 1.4.5 鸢尾叶面的超疏水性
• 1.4.6 超疏水各向异性的水稻叶子
• 1.5 超疏水界面的制备
• 1.5.1 溶胶-凝胶法
• 1.5.2 刻蚀法
• 1.5.3 电化学法（电沉积）
• 1.5.4 气相沉积法
• 1.5.5 聚合物溶液浇注法
• 1.5.6 聚电解质交替沉积法
• 1.5.7 纳米阵列法
• 1.5.8 静电纺纱法
• 1.5.9 粒子填充法
• 1.5.10 采用多孔材料作基体的方法
• 1.5.11 腐蚀金属
• 1.5.12 自组装技术
• 1.5.13 阳极氧化法
• 1.5.14 其他方法
• 1.6 超疏水界面的应用
• 1.7 结论与展望
• 参考文献
• 第二章 表面修饰引发的超疏水性 ZnO 亚微米棒薄膜表面
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 玻璃片的预处理
• 2.2.3 ZnO薄膜的制备
• 2.2.4 膜的表面修饰
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 微米棒的形成机理
• 2.3.2 薄膜表面微观形貌分析
• 2.3.2.1 表面形貌分析
• 2.3.2.2 微米棒的XRD分析
• 2.3.2.3 薄膜表面特征元素的 XPS 分析
• 2.3.2.4 薄膜表面反红外分析
• 2.3.2.5 超疏水性薄膜的接触角测量
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章、水热法制备超疏水 ZnO 纳米棒阵列薄膜、ZnO 微米花瓣
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 玻璃片的预处理
• 3.2.3 ZnO纳米晶粒子和纳米粒子薄膜的制备
• 3.2.4 ZnO纳米棒阵列薄膜的制备
• 3.2.5 ZnO微米花瓣薄膜的制备
• 3.2.6 膜的表面修饰
• 3.2.7 试样的表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 ZnO纳米棒、ZnO微米花瓣的形成机理
• 3.3.2 ZnO纳米棒阵列薄膜、ZnO微米花瓣薄膜表面微观形貌分析
• 3.3.3 ZnO纳米棒阵列薄膜的XRD图谱
• 3.3.4 ZnO 纳米棒阵列薄膜、ZnO 微米花瓣薄膜的超疏水性
• 3.3.5 薄膜表面特征元素的 XPS 分析
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 硬脂酸乙醇溶液浸泡锌片、铜片引发的超疏水性
• 4.1 引言
• 4.2.实验部分
• 4.2.1 基片处理
• 4.2.2 试样的表征方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纳米花瓣的形成机理如下
• 4.3.2 薄膜表面微观分析
• 4.3.3 薄膜表面红外分析
• 4.3.4 超疏水性薄膜的接触角测量
• 4.4 结论
• 参考文献
• 硕士期间已拟发表论文
• 致谢