提高超疏水性生物质基材料稳定性和耐久性的研究

发布时间：2019-09-10 07:42

【摘要】：超疏水表面是一类与水的接触角大于150°且接触角滞后小于10°的固体表面,其因在基础研究和工业应用方面具有重大的研究和实用价值而引起了科学界和工业界的极大兴趣。通常情况下,超疏水表面可通过在疏水材料表面构建一定尺寸的粗糙结构或利用低表面能的物质对粗糙表面进行修饰而获得。在本论文中,以生物质材料为基底,不仅在其表面制备出超疏水层,而且有效提升了超疏水涂层的稳定性和耐久性。通过滴涂法将PVA/SiO2杂化复合材料的水溶液滴涂到木质基表面,干燥后再用OTS试剂进行低表面能改性,最终得到具有较高的水接触角(1590)和较低的接触角滞后(-40)的且机械强度较好的超疏水涂层。其原因主要归功于：PVA/SiO2杂化复合材料在木质基表面花辨状的结构提供了制备超疏水涂层的粗糙度；OTS为表面提供了低表面能；Si02作为一种固体塑化剂添加到聚合物PVA中,提高了PVA的机械强度,从而使得所制备的超疏水涂层有很好的机械强度。通过磨损实验测试,得出由PVA/SiO2杂化复合材料所制备的超疏水木材在机械稳定性方面有了很大的提升,从而使得超疏水木材在防水、自清洁、以及防污染等领域有了更大的潜在的应用前景。通过溶胶-凝胶法在棉纤维表面制备出适当尺寸的SiO2粒子,再经过OTS低表面能改性,制备出可用于油水分离且可重复使用的超疏水/超亲油棉花。首先将棉花纤维用NaOH水溶液进行预处理,之后通过溶胶-凝胶法在棉纤维表面“生长”一层致密的SiO2粒子,最后再将棉纤维进行OTS低表面能改性。所制备的棉花可以选择性地吸收超过其自身体重50倍的多种油类和有机溶剂,同时还可以达到完全防水；所制备的超疏水/超亲油棉花在水面上具有很好的浮力。在真空泵的帮助下,油水分离循环过程的吸油后的棉花可以对所吸的油很容易的解吸。所制备的超疏水/超亲油棉花在经过数十次的“吸油/解吸”过程后,其吸油量仅有微量的降低,即所制备的吸油棉有较好的重复使用性,这主要归因于通过溶胶-凝胶法所制备的SiO2粒子通过水解了的硅烷羟基与棉纤维表面的羟基,牢固地粘附在了棉纤维表面,且不易脱落,在吸油棉再次重复使用后,其表面的微观结构不会有太大的变化,因此所制备的吸油棉有较好的重复使用性和保持较高的吸油量。从另一个角度说明了本实验所制备的超疏水/超亲油棉花表面结构的较高的稳定性和耐久性。通过溶液浸泡法,在木材、棉布和滤纸三种生物质基表面构建较稳定的和耐久性较好的超疏水涂层。方法主要有三步：将木材、棉布和滤纸三种生物质基基底浸泡在环氧树脂溶液中,使其表面覆盖一层环氧树脂；再通过在接枝有氨基的二氧化硅液中浸泡,使得二氧化硅上的氨基与环氧树脂的环氧基团发生反应,从而使二氧化硅粘附在环氧树脂表面形成微/纳二级结构；最后将基底进行OTS疏水改性,得到了具有超疏水性的三种生物质基材料。实验分别通过漏沙实验和水洗实验对这三种生物质基超疏水表面的机械稳定性和耐久性进行了测试,发现环氧树脂的浓度是影响本实验超疏水样品表面微观结构稳定性和耐久性的关键因素。根据实验最终的结果分析可得,通过本实验所制备的三种超疏水生物质基材料表面超疏水层的稳定性和耐久性有了很大的提升,从而为其在工业上的应用提供了很有力的参考。
【图文】：

微观形貌,固体表面,超疏水,接触角度

１绪论逡逑１绪论逡逑引言逡逑在过去的２０年中，超疏水表面由于其优异的防水性能和自清洁性无论是在科学界逡逑在工业界都引起了人们极大的兴趣。从基础科学的角度，固体表面和润湿性由两个逡逑决定：一是固体表面的能量；二是固体表面的微观形貌。化学成份决定了固体表面逡逑量，从而影响到固体表面的润湿性［１］。然而，单纯地降低固体表面的能量不足得逡逑疏水的表面。例如，研究报道＾＾－〔？３为终端的表面具有最低表面能，但在平面上逡逑其后的表面具有最大的水接触角仅有１２０°［２］。在超疏水表面，表面的微观形貌对逡逑体表面的润湿性也起着非常重要的作用。增强表面的粗糖度不仅可Ｗ提富其疏水性逡逑，而且当水滴滴在其表面时，空气还可Ｌ：ｉ、被截留到粗植结构与水滴的空隙中。由于逡逑是绝对疏水的，其与水的接触角为１８０＂，因此被截留的空气也一定程度上提高了表逡逑疏水效果［５］。所Ｗ分级的微／纳结构对于超疏水表面也是至关重要的。逡逑

接触角

１．２．１接触角和Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程逡逑当液体液滴滴在固体表面时，液体与固体表面形成一个角度，即接触角０，，接触角逡逑的定义是在固－液－气Ｈ相的交点处，做气－液相的切线（如图１－２所示），此切线与固液逡逑相之间的夹角便是接触角０邋（如图１－２所示）。利用接触角可Ｗ很直观地衡量液体对固体逡逑的润湿程度。逡逑接触角ｅ小逦接触角Ｑ大逡逑＼逦４／逡逑ｆ逦凉体邋／、逦，逦７＾／逦、逡逑Ｉ邋固体邋Ｊ逦固＃逦１逡逑图１－２接触角的定义逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｏｎ化ｃｔ邋ａｎｇｌｅ逡逑液体在固体表面的接触角，一般是固、液、气兰相界面之间表面张力平衡的结果，逡逑这种平衡使得整个体系的总能量趋于最小，从而使液滴在固体表面处于稳定态。一般来逡逑说，在光滑的理想固体表面的液滴接触角６可＾用Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程来表示［１５Ｊ：逡逑ｃｏｓ邋口邋＝也￣—逡逑口，、＇逡逑式中，（Ｔｓｖ、口ｓｉ和巧Ｖ分别代表固－气、固液、液气界面的表面张力；０为平衡接触角，或逡逑称材料的本征接触角。逡逑Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程是研究固体与液体浸涧性的基础，接触角６的大小量是判断固体润湿逡逑性能好坏的判据：逡逑０＝０逦完全润湿
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB306

【参考文献】