钢铁表面超疏水膜的制备与表征

论文摘要

润湿性是固体材料表面的重要特性之一,通常用液滴（水）在材料表面的静态接触角来判断。近年来,与水的接触角大于150°的超疏水材料由于在防腐、自清洁、抗氧化等方面具有广阔的应用前景而引起了研究人员的极大关注。研究发现,材料表面的润湿性是由其表面粗糙结构和表面自由能共同决定的,因此,制备超疏水表面一般从两个方面入手：一是在粗糙表面修饰低表面能物质；一是在疏水表面构建微细结构。本文正是基于这一理论从固体表面的化学组成和微细结构两方面入手,使用化学蚀刻法和水热法两种简单的表面处理方法在钢铁表面构建了微纳米级的分级结构,随后利用自组装技术在其表面自组装氟硅烷膜,成功地制备了超疏水表面,实现了对固体表面润湿性的控制。主要内容如下：一、通过比较不同条件下含氟硅烷（FT-922）在钢铁表面的自组装效果,得到有效的组装条件,当FT-922：水：乙醇=4：6：90（质量百分比）,30℃条件下组装18h时,可以达到较好的疏水效果；用含氟试剂对预先组装硅烷偶联剂的铁片进行二次组装,可以显著地改善其疏水性。二、采用化学蚀刻法对钢铁表面进行刻蚀,然后用含氟硅烷对经刻蚀处理后的表面进行疏水化处理。用扫描电子显微镜（SEM）、接触角测量仪和电化学工作站对表面的形貌、润湿性能和耐腐蚀性能进行了表征。SEM结果表明,经化学刻蚀后的钢铁表面上产生了多空隙的疏松结构；经氟化处理后表面呈现出超疏水性,与水的接触角达到157.11°,且滚动角小于10°（5μl水滴）。极化曲线结果表明,超疏水膜的形成对溶液中的腐蚀介质起到了物理隔离的作用。三、采用水热法对钢铁进行表面微细化加工,然后在经水热处理后的表面组装含氟硅烷,降低表面自由能。用扫描电子显微镜、X射线衍射仪（XRD）、接触角测量仪和电化学工作站对表面的形貌、化学组成、润湿性能及耐腐蚀性能进行了表征。SEM结果表明,经水热处理的钢铁片表面上生长出了微米级的八面体状、花状和菜花状的结构,条件合适时,这些二级结构的表面会生长出纳米级丝构成的网状结构；XRD结果显示,表面氧化层的主要成分为Fe3O4；经氟化处理后这些具有微纳米级分级结构的表面呈现良好的疏水性,与水滴的接触角最大为165.31°,滚动角小于5°（5μl水滴）。极化曲线结果表明,超疏水膜的形成对溶液中的腐蚀介质起到了物理隔离的作用。钢铁是一种应用广泛的工程材料,超疏水表面在自清洁、抗腐蚀方面有独特的优越性,因此钢铁表面超疏水膜的研究有着重要的意义。以上两种在钢铁表面构筑微纳米级分级结构制备超疏水膜的方法操作过程简单,反应过程易于控制,制备出的膜具有良好的稳定性,具有潜在的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 润湿的相关理论
• 1.2 超疏水表面的制备技术
• 1.3 超疏水膜层性能的表征方法
• 1.4 超疏水表面在金属腐蚀防护方面的应用
• 1.5 本论文的选题背景和研究内容
• 2 实验原料和方法
• 2.1 试剂和仪器
• 2.2 钢铁表面氟硅烷自组装膜的制备方法
• 2.3 钢铁表面超疏水膜的制备方法
• 2.4 测试与表征方法
• 3 氟硅烷对钢铁表面的化学修饰
• 3.1 引言
• 3.2 氟硅烷处理剂体系的确定
• 3.3 氟硅烷在钢铁表面的自组装机理
• 3.4 氟硅烷自组装膜的影响因素分析
• 3.5 自组装前后试样的极化曲线分析
• 3.6 本章小结
• 4 化学蚀刻法制备钢铁表面超疏水膜
• 4.1 引言
• 4.2 酸刻蚀液的选择
• 4.3 刻蚀时间对试样表面形貌的影响
• 4.4 试样表面润湿性能和缓蚀性能的测试
• 4.5 本章小结
• 5 水热法制备钢铁表面超疏水膜
• 5.1 引言
• 5.2 水热反应条件对试样表面微细结构形貌的影响
• 3O₄微细结构的形成机理分析'>5.3 钢铁表面Fe₃O₄微细结构的形成机理分析
• 5.4 水热反应条件对疏水性能的影响
• 5.5 试样表面疏水性能的测试
• 5.6 超疏水处理前后试样表面的电化学分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 本论文的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要成果