特殊润湿性表面的简易制备及其润湿性能研究

论文摘要

超疏水表面通常是指水在固体表面的接触角大于150o且滚动角小于10o的表面，由于其特殊的疏水性能和自清洁性能，在自清洁材料、微流体和减阻涂层等很多领域具有潜在的应用价值，因此在基础研究和实际应用中都受到了越来越多的关注。通过在固体表面构筑微纳米粗糙结构并采用低表面自由能的化学物质进行表面修饰，可获得超疏水表面。虽然目前制备超疏水表面的方法种类繁多，但是大多工艺复杂繁琐、成本较高，难以实现超疏水表面的规模化和简易化制备。因此，本论文利用工业原料聚苯乙烯和疏水性二氧化硅纳米微粒，采用高压喷枪或家用简易喷雾器喷涂在含聚乙烯（PE）膜的纸杯内表面，成功制备了超疏水复合涂层，研究了配比、浓度和喷涂方法对涂层表面形貌和润湿性的影响。结果表明，选用聚二甲基硅氧烷修饰过的二氧化硅微粒H1-SiO2和辛烷基硅氧烷修饰过的二氧化硅微粒H2-SiO2，在Hn-SiO2:PS配比达到2:1，PS浓度为0.01g/ml时，使用高压喷枪或手动喷雾器均可以得到具有超疏水性能的复合涂层表面。所制备的PS-H1-SiO2复合涂层相对于PS-H2-SiO2复合涂层具有更好的抗酸碱性能，并且两者均具有良好的耐刮伤性、抗粘附性和自清洁效应，有望应用于防玷污领域。超疏水表面的宏观动态润湿性能对其实际应用具有重要的意义。本论文研究了各种饮料和浓度不同的聚丙烯酰胺水溶液从制备的超疏水复合涂层表面滚落的动态过程，结果表明，牛奶、绿茶、可乐、橙汁、葡萄汁、雪碧等饮料滚落后在涂层表面没有饮料残留，涂层具有很好的抗饮料沾污性。液体粘度越大，粘性耗散能越大，从而液滴获得的动能越小，相同时间内滚落的距离越小。34μl液滴从10cm高度滴落于超疏水复合涂层表面，当液滴粘度较小时，弹起的高度较小、弹跳次数较少；随着液体粘度的增大，弹起高度随之增大、弹跳次数随之增加；当液体浓度达到0.5mg/ml后，随着液体粘度的进一步增大，弹起高度减小、弹跳次数减少。水滴从10cm高度自由落于超疏水涂层表面，随着液滴体积的增大，弹起高度减小、弹跳次数减少。不同体积的液滴从不同高度下落至超疏水表面并弹起的过程具有明显差异，34μl水滴从不同高度下落至超疏水表面，随着下落高度的增大，弹跳高度减小，弹跳次数减少；而4μl水滴从不同高度下落至超疏水表面，下落高度越大，弹跳越高弹起高度越高、弹跳次数越多。超疏水表面上水滴具有很大的接触角和很小的滚落角，可望应用于微量液滴的输运领域，在超疏水表面施加电压将使液滴接触角的可调控范围更大。本论文研究了一系列离子液体和不同浓度KCl水溶液在组装硫醇的超疏水银膜表面的电润湿性能。离子液体的电润湿性能与阴、阳离子体积及电荷偏移的大小有关，随着阴、阳离子体积及电荷偏移的增大，离子液体的表面张力逐渐减小，静态接触角、正负饱和电压及饱和电压时接触角的变化值也随之减小；超疏水表面的小分子组装层对离子液体的电润湿性能也有影响，相对于组装十二烷基硫醇的超疏水表面，施加电压后，组装1H,1H,2H,2H-全氟-1-癸基硫醇的银膜表面接触角下降幅度较大。0.1mol/L的KCl溶液与[Emim][BF4]和[Bmim][BF4]电导率相似，三者在超疏水银膜表面的电润湿特性也相似。由于离子液体的多种性能优于水溶液，因此在电润湿传输和电润湿开关等方面比水溶液有更好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面润湿性原理
• 1.2.1 静态表征——接触角
• 1.2.2 动态表征——滚动角、前进角、后退角和接触角滞后
• 1.2.3 表面润湿性的影响因素
• 1.3 超疏水表面的制备
• 1.3.1 模板法
• 1.3.2 相分离技术
• 1.3.3 电纺丝法
• 1.3.4 溶胶-凝胶法
• 1.3.5 刻蚀技术
• 1.3.6 气相沉积法
• 1.3.7 自组装技术
• 1.3.8 其他方法
• 1.4 液滴在超疏水表面的动力学研究
• 1.4.1 超疏水表面液滴滚落过程
• 1.4.2 超疏水表面液滴撞击过程
• 1.5 超疏水表面的电润湿
• 1.5.1 电润湿的基本原理
• 1.5.2 电润湿的研究进展
• 1.6 超疏水表面的应用
• 1.7 本论文的研究目的和意义
• 参考文献
• 第二章 特殊润湿性纸张的制备及其稳定性
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要材料和仪器
• 2.2.2 超疏水复合涂层的制备
• 2.2.3 表征方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 制备条件对复合涂层润湿性能的影响
• 2.3.2 复合涂层的稳定性研究
• 2.3.3 二氧化硅粒径对复合涂层表面润湿性能的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 液滴在超疏水复合涂层表面滚落和弹起的动力学过程研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要材料和仪器
• 3.2.2 超疏水复合涂层的制备
• 3.2.3 表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 常见饮料在超疏水复合涂层表面的润湿性
• 3.3.2 粘度对液滴从超疏水复合涂层表面滚落过程的影响
• 3.3.3 粘度对液滴在超疏水复合涂层表面自由下落和弹起过程的影响
• 3.3.4 体积对液滴在超疏水复合涂层表面自由下落和弹起过程的影响
• 3.3.5 下落高度对液滴在超疏水复合涂层表面自由下落和弹起过程的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 超疏水银膜表面的电润湿性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要材料和仪器
• 4.2.2 超疏水表面的制备
• 4.2.3 表征方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 超疏水银膜的制备
• 4.3.2 离子液体阳离子对其在超疏水表面电润湿性能的影响
• 4.3.3 离子液体中阴离子对其在超疏水表面电润湿性能的影响
• 4.3.4 离子液体体积对其在超疏水表面电润湿性能的影响
• 4.3.5 不同超疏水表面对离子液体在其表面电润湿性能的影响
• 4.3.6 KCl 水溶液在超疏水银膜表面的电润湿性能
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 全文总结
• 致谢
• 附录：攻读硕士学位期间发表或待发表的论文及研究成果