两种超疏水表面制备及提高其机械性能方法的研究

发布时间：2020-03-20 01:56

【摘要】：超疏水表面是一种特殊的非润湿性表面,具体指的是接触角大于150°,滚动角小于10°的表面。它除了极佳的拒水防水功能外,还具有很好的自清洁、耐腐蚀、抗结冰等性能,因此具有很广的应用前景。但是,由于人工超疏水表面的制备方法较复杂,制备成本较高,以及最重要的一点,表面机械性能较弱导致耐用性差的原因,致使超疏水表面还仅限于理论研究,并没有被广泛应用到实际生活中。因此,寻找简单、经济的制备超疏水表面的方法,以及提高超疏水表面机械性能的方法是很有必要的。本文首先介绍了自然界中一些具有超疏水性能的动植物,超疏水表面的制备方法及性能,还对现有的提高超疏水表面机械性能的方法进行了简单综述。本研究在此基础上制备了两种超疏水表面,并分别对其机械和化学性能进行了研究,进而提出了两种提高其机械性能的方法,并通过实验对这两种方法的可行性进行探讨及验证。主要研究结论如下:(1)通过简单的浸泡法成功制备出了一种微纳米花状氧化锌/环氧树脂超疏水涂层。润湿性测试结果表明,该涂层表面接触角在150°以上,滚动角度小于2°。一系列表面性能测试表明,该涂层可以在玻璃、金属、布等各种常用基底材料表面使用,以及它可以在温度为20℃～80℃,pH值为1～11的范围内很好地保持其超疏水性。(2)通过对所制备的超疏水涂层进行摩擦一再修复的重复实验发现,摩擦过程使超疏水表面失去超疏水性,但经过再处理过程后,失效表面很好地恢复了超疏水性。进而提出一种提高超疏水涂层耐用性的方法:重复利用涂层表面。该方法适用于制备方法简单、快速、以及涂层本身机械性能较强的超疏水涂层表面。(3)通过摩擦实验发现:增加基底粗糙度可以提高所制备超疏水涂层的耐磨性;并且随着基底粗糙度的增加,超疏水涂层的耐磨性出现先增大后减小的规律。进而提出一种提高超疏水涂层机械性能的方法:增大基底的粗糙度。该方法适用于所有的超疏水涂层,并能应用到金属、木材等其它各种基底材料上。(4)通过滴刻与高温浸泡相结合的方法制备出了一种超疏水铝合金表面。该表面接触角在156°以上,滚动角小于2°。一系列表面性能测试表明,本研究所提出的制备超疏水铝合金表面的方法可以很好地保证材料的完整性,且制备出的超疏水铝合金表面可以在100℃～180℃的温度条件下很好地保持超疏水性,并具有很好的耐腐蚀性和防污能力。机械性能验证实验结果表明,对超疏水铝合金表面进行重复利用可以提高其耐用性,但增大基底粗糙度的方法并不能提高其耐磨性。
【图文】：

表面微观形貌,水黾,蝴蝶图

逦第３页逡逑图１－１荷叶表面图片及表面微观形貌图像逡逑１．２．２动物中的超疏水现象逡逑除了荷叶、水稻、玫瑰等植物以外，自然界中还有很多具有超疏水特性的动物，逡逑例如：水黾、蝴蝶、壁虎、蚊子等［４４＿５２］。水黾是一种常见的小型水生昆虫（图１－２），逡逑它可以在水面上行动自如，这是因为水黾腿部具有很好的超疏水性。为了找出水黾腿逡逑部出现超疏水现象的原因，人们通过电子显微镜观察了其腿部表面结构，发现水黾腿逡逑部具有同样的微纳米复合结构，即存在成千上万的微米刚毛，并在每根刚毛表面又存逡逑在纳米级的螺旋状沟槽，气体进入沟槽形成气垫，使得水黾可以在水面上自由行走。逡逑蝴蝶（图１－２）翅膀也具有超疏水性，当蝴蝶在雨中飞行扇动翅膀时，水滴会沿着轴心逡逑放射方向滚动

表面微观形貌,荷叶,表面微观形貌,水黾

１．２．２动物中的超疏水现象逡逑除了荷叶、水稻、玫瑰等植物以外，自然界中还有很多具有超疏水特性的动物，逡逑例如：水黾、蝴蝶、壁虎、蚊子等［４４＿５２］。水黾是一种常见的小型水生昆虫（图１－２），逡逑它可以在水面上行动自如，这是因为水黾腿部具有很好的超疏水性。为了找出水黾腿逡逑部出现超疏水现象的原因，人们通过电子显微镜观察了其腿部表面结构，发现水黾腿逡逑部具有同样的微纳米复合结构，即存在成千上万的微米刚毛，并在每根刚毛表面又存逡逑在纳米级的螺旋状沟槽，气体进入沟槽形成气垫，使得水黾可以在水面上自由行走。逡逑蝴蝶（图１－２）翅膀也具有超疏水性，当蝴蝶在雨中飞行扇动翅膀时，水滴会沿着轴心逡逑放射方向滚动，从而使得液滴不会沾湿蝴蝶的身体。这是因为蝴蝶翅膀覆盖着大量沿逡逑着轴心放射方向定向排列的微纳米鳞片，该结构可以保证水滴沿着放射方向轻易滚走，，逡逑而限制其在反方向上的滚动
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB306

【参考文献】