基于多孔结构的超疏水表面可控制备

论文摘要

超疏水表面的设计和控制是当前材料科学、纳米技术、表面工程等领域的研究热点,多孔型超疏水表面,由于其制备工艺简单、实验条件温和并可脱离基体单独存在,在规模化制备与实际应用中具有突出优势,但其调控机理尚不清楚。本论文设计并制备了乳突状微纳复合氧化锌和聚合物纤维两种不同类型的的多孔膜材料,对其表面润湿性能开展了系统研究,通过FT-IR、XRD、SEM等手段对其成分、结构、微观形貌等开展了表征和研究,采用接触角测量仪、轮廓台阶分析仪等设备研究其疏水性能、表面粗糙度等。通过水热浸泡生长法制备了具有乳突状多孔结构的微纳复合氧化锌,发现随着反应时间的延长,形成的孔结构更加细小和均匀。进一步分析其粗糙度及其与水的接触角,发现当生长时间由6小时延长到18小时,表面平均孔径由0.77μm下降到0.33μm,表面线粗糙度由4.96μm上升为9.46μm,与水的接触角由134.5°上升为157.2°。结合固体表面润湿性基本原理对实验结果进行了分析,发现多孔结构越致密细小,表面粗糙度越大,与水的接触角也越大。提出了基于材料表面孔结构尺寸和分布均匀性控制的多孔膜结构表面润湿性能调控方法。利用配位聚合原位生长法制备了有机聚合物纤维,微观形貌观察发现,纤维生长为相互缠结的网络状多孔结构；通过外加压力,可以改变网孔结构的尺寸和表面润湿性能,经过20 MPa 1小时加压处理后的纤维表面平均孔径从1.30 gm下降到0.66μm,与水的接触角由152.1°增大到155.9°。通过剪切分散结合抽滤制备了具有超疏水特性的有机聚合物纤维膜,并可通过改变剪切分散条件调控纤维膜的表面超疏水性能。系列实验研究发现,经过分散的纤维中作为催化剂的Cu与空气中的O2和CO2发生反应,生成了Cu2（OH）2CO3。并且,随着分散时间由5分钟延长至40分钟,纤维膜表面网孔结构的平均孔径从1.27μm下降到0.73μm,表面的线粗糙度由4.12μm上升到9.61μm,与水的接触角由156.3°上升到164.9°。通过综合分析膜结构中纤维的分布、网孔结构、与水的接触角以及表面粗糙度等实验结果,进一步证实并完善了本论文前面提出的基于材料表面孔结构尺寸及其分布均匀性控制的多孔膜结构表面超疏水性调控机理,并认为其核心机制是控制材料的表面粗糙度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 固体润湿性
• 1.2 固体表面润湿性基本理论
• 1.2.1 Young's方程
• 1.2.2 Wenzel模型
• 1.2.3 Cassie-Baxter模型
• 1.2.4 影响固体表面疏水性能的因素
• 1.3 超疏水表面
• 1.3.1 低表面能型超疏水表面
• 1.3.2 纳米阵列型超疏水表面
• 1.3.3 微纳复合型超疏水表面
• 1.3.4 多孔型超疏水表面
• 1.4 研究课题的提出和本论文主要研究内容
• 1.4.1 论文研究课题的提出
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 水热法制备ZnO超疏水薄膜
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 ZnO超疏水薄膜的制备
• 2.2.3 分析测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 ZnO薄膜结构
• 2.3.2 ZnO薄膜微观形貌
• 2.3.3 ZnO薄膜的疏水性能
• 2.3.4 ZnO薄膜线粗糙度
• 2.4 本章小结
• 第3章 有机聚合物纤维的润湿性能研究
• 3.1 研究背景与出发点
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 有机聚合物纤维的制备
• 3.2.3 分析测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纤维结构
• 3.3.2 有机聚合物纤维微观形貌
• 3.3.3 有机纤维疏水性能
• 3.4 本章小结
• 第4章 有机聚合物纤维膜制备及其超疏水性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 有机纤维膜的制备
• 4.2.3 分析测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 有机聚合物纤维膜结构表征
• 4.3.2 有机纤维膜微观形貌
• 4.3.3 有机聚合物纤维膜表面润湿性能
• 4.3.4 有机聚合物纤维膜粗糙度
• 4.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果