超疏水功能界面的制备及应用

发布时间：2018-10-16 09:36

【摘要】：超疏水界面功能材料是一种具有特殊浸润性的材料。对于超疏水材料,水滴呈现良好的球形几何形貌而无法润湿其表面。其中,在某些超疏水界面,水滴在不浸润表面的同时,还可以自由的滚动,并能够带走表面的灰尘等固体杂质,达到自清洁的效果,这种效应称为荷叶效应。超疏水材料特殊的浸润性使其在抗腐蚀、防雾、油水分离、自清洁等很多方面有着较强的应用价值。科学家发现,大自然中存在着大量具有超疏水性能的生物体结构,除了荷叶,还有水稻叶,西瓜叶,蝴蝶翅膀,苍蝇的复眼,水黾的腿部,壁虎的脚,鸟类的羽毛等。通过对这些生物体界面的微观观察和表面分析,研究人员找到了形成这类界面所必须具备的因素,其一,一定的微观几何形貌形成较高的表面粗糙度；其二,较低的表面自由能。本研究围绕疏水表面的构建和相关浸润性的研究开展了一系列的工作,主要内容包括：利用纳米压印法制备仿生竹叶疏水表面,利用湿化学法在铜、锌及其合金基底上制备稳定的超疏水氧化铜、氧化锌等界面。用溶胶凝胶、自组装、喷剂喷涂等方法合成超疏水二氧化硅、氧化锌、二氧化钛涂层。探索了均一氧化锌微纳结构的快速生长法。从纳米生长角度对纳米结构的形成机制进行了一系列的探讨,从疏水、疏油、油水分离三个角度对界面进行浸润性的实验和理论分析。下面为主要内容：在第一章中,首先对浸润性的基本概念做了介绍,对自然界中具有代表性的超疏水生物表面进行了结构分析,探讨了超疏水材料的潜在应用。然后介绍了具有代表性的Wenzel浸润理论、Cassie-Baxter浸润理论以及接触角滞后理论等,对超疏水界面的基本原理做了具体的阐述。同时,对超疏水几何模型理论研究进展做了回顾,包括单尺度模型、多尺度模型、和猪笼草结构的研究等。最后对主要介绍了超疏水功能界面的主要制备方法。在第二章中,利用改进纳米压印的方法制备仿生竹叶表面疏水构型和硅金字塔反型模板结构。传统的热压印法和软模板法,存在步骤较为繁琐,压印时间较长的问题。我们从仿生疏水方面考虑,利用改进的纳米压印方法,采用单一温度一步高温纳米压印,成功地在硬质模板的硅金字塔表面和软质模板的竹叶表面反型出基于PS和PMMA有机材料的反型模板。同时发现了最优的成膜方法。然后,通过二次反型纳米压印,制备出类竹叶表面的正模板纳米结构。我们发现,随着纳米压印导致的表面构型构型的转变,表面浸润性发生转变,并发现表面微-纳米复合几何构型可以使亲水材料表面变为疏水表面。我们用Wenzel和Cassie-Baxter浸润理论进行了分析。在第三章中,介绍了利用湿化学反应法在金属铜、锌及相应合金基底上构建超疏水结构。首先,利用氧化性极强的安替福明溶液法在铜基底上常温一步快速氧化生成纳米氧化铜微结构。反应时间仅为15s时就能生成一维豆芽菜状纳米结构。通过调控反应液浓度和反应时间(20min以内),可以调控微纳形貌由一维线向三维网状结构和三维分级纳米颗粒结构转变,对相应的反应机制进行了深入分析,提出了毛细作用原理。经过修饰的表面具备了超疏水疏油的浸润性,表面的浸润性随着表面形貌发生有规律的变化。相应的超疏水薄膜具有良好的热稳定性。同样的方法用到铜合金上亦取得了良好的超疏水浸润效果。然后,受荷叶分级结构对其超疏水性能的直接影响的启发,我们利用化学酸刻蚀和温水直接水浴相结合的方法(水浴时未引入任何化学试剂)在锌片表面合成了具有明显微-纳米分级的氧化锌表面,研究了水浴温度和时间对表面形貌的影响,提出了生长机制。并对低表面能修饰后的表面进行了疏水、疏油、油水分离三方面的浸润性分析,用Wenzel和Cassie-Baxter理论进行了解释。同时,该超疏水薄膜具有良好的热稳定性和酸碱稳定性。我们提出的两种超疏水化途径有益于快速获得规模化的匀质超疏水表面,对其方法改进后,具有较强的应用前景。在第四章中,采用溶胶凝胶法、自组装法和喷涂法分别制备了二氧化硅透明疏水薄膜、氧化锌疏水涂层及二氧化钛喷涂超疏水薄膜。并对其表面浸润性分别进行了理论分析。首先,用不同的溶胶凝胶方法合成了表面形貌可调控的二氧化硅薄膜,揭示了二氧化硅薄膜表面形貌与浸润性的直接影响。其中,对比了凸起结构和凹槽结构对浸润性的影响。同时,实验中首次合成了具有超疏水性能的倾斜二氧化硅纳米棒阵列。然后,用一步水热法和籽晶辅助生长法合成了球形分级和纺锤体分级氧化锌纳米结构,发现了不同氧化锌纳米形貌和自组装方法分别导致了不同的表面浸润效应,即荷叶效应和玫瑰花瓣效应,同时发现涂层与衬底间存在的协同效应也影响着涂层的浸润性。最后,为了更为直接的在不同基底上快速生成超疏水薄膜,我们研发了一种超疏水喷剂组合及其喷涂方法,成功地在几种不同的基底上喷涂,获得了具有超疏水性能的涂层。我们分析了喷涂条件与微观颗粒形貌的直接关系,并通过调节药品的组成和喷涂的方法,对喷涂涂层的疏水效果进行了调控和改进。在第五章中,介绍了具有均匀微纳复合形貌的氧化锌纳米结构的制备与超浸润方面的应用。传统氧化锌纳米结构的液相合成通常基于锌盐前驱液与弱碱前驱液在化学浴或水热条件下的反应,虽然产物的结晶性较好,但同时且具有反应时间较长,温度较高等限制。这也为其在疏水方面的应用受到了限制。通过对氧化锌的结晶特点及生长特性的研究,提出了一种基于饱和溶液稀释剂的热反应法。首先以商业氧化锌和氢氧化钠为反应物合成亚稳定的饱和强碱前驱液,用水进行稀释后的溶液倾向于在低温加热条件下快速水解。通过调控反应温度、反应时间和稀释倍数,能够在溶液中或插入溶液的衬底上快速生长出不同的氧化锌纳米结构。通过表征,发现其结晶性能良好。在整个实验过程中,不需要任何其他试剂或添加剂的引入,通过外界实验条件即可控制氧化锌的生长。对氧化锌的生长机制进行了深入研究,为氧化锌的多种微观结构的合成提供了理论指导。用此方法在不同基底上进行了氧化锌一维纳米钉阵列的生长,通过低表面能修饰,在FTO玻璃上获得了透明超疏水表面,在不锈钢网上则形成了油水分离界面,并用Wenzel和Cassie-Baxter浸润模型对不同目数超疏水不锈钢网的浸润性转变进行了分析。我们还对此方法下氧化锌多步生长法进行了探索。第六章,对全文做了总结展望。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34

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