耐久性超疏水表面制备及其浸润性能研究

发布时间：2020-04-03 22:13

【摘要】：超疏水表面优异的非浸润性在工业生产和日常生活中具有非常大的应用前景,但是耐久性一直是制约超疏水表面被广泛应用的主要因素。表面能改性技术是制备超疏水表面不可或缺的条件之一,但是对耐久性和浸润性产生的影响并不明确。该论文首先研究了改性技术对超疏水表面耐久性的作用机理以及表面浸润性的好坏,并提出了制备耐久性超疏水表面的新方法:亲水-超疏水性双极膜,即通过亲水性中间连接层的作用将超疏水膜与基材以共价键的形式紧密结合在一起,由此增强超疏水表面的耐久性。利用这种方法成功的制备了几种耐久性的超疏水表面:超疏水超疏油表面、抗反射高透明超疏水表面。超亲水表面:水滴可以其表面完全铺展,在强化热质传递过程具有非常重要的作用。本文也对如何制备耐久性的超亲水表面做了研究并将制得的耐久性超亲水表面应用于除湿机中,探究其对强化热质传递过程产生的影响。具体研究如下:首先,采用不同的改性方法制备八种不同的超疏水表面,探究表面能改性技术对制备耐久性超疏水表面产生的影响。利用砂纸打磨的方法对所获表面进行耐久性的定量研究,同时对表面的微观形貌结构以及化合物成分进行检测分析,找出了影响耐久性的关键因素。结果发现改性技术通过影响改性表面的粗糙度进而影响超疏水表面的耐久性,粗糙度越大,表面的耐久性越好。其次,利用影响耐久性的关键因素,提出了由亲水-超疏水双极复合膜制备耐久性超疏水表面的方法。该方法通过在超疏水膜层与基材间增加一层具有亲水性特征的交联网络状连接层,使连接层通过共价键作用将基材与超疏水膜层紧密牢固的结合在一起。同时连接层包覆大量微米级固体颗粒,极大地提高表面粗糙度。双极性膜层通过高粗糙度和共价键的双重作用,增强了所获超疏水表面的耐久性。第三,探究了超疏油表面形成的机理,并在此基础上制备了超疏水超疏油表面。其中改性材料中的颗粒具有微-纳两种结构并通过两次氟改性降低表面能。所获表面的表面能低至0.254 mJ/m~2,粗糙度高达15.61μm,对水和各种液体油(表面张力大于30mN/m)的接触角都大于150°,滚动角小于10°。通过对超疏水超疏油表面的膜层结构进行改进,制备成具有类砼结构的膜层,将连接层与低表面能改性颗粒融为一体,制备耐久性超疏水超疏油(SOS)表面。第四,将包覆有颗粒的连接层构筑成具有三维交联网络状多孔结构的连接层,再附载改性纳米颗粒,制备具有抗反射高透明特性的耐久性超疏水表面。多孔结构通过致孔剂在煅烧过程中氧化挥发而得到,随后用疏水溶胶对多孔连接层进行改性,使疏水纳米颗粒附载在多孔表面形成双尺度微观结构,增强表面的耐久性。此外,所得耐久性超疏水涂层的折射率只有1.3471;在可见光范围内的平均透光率高达97.9%,比玻璃基材提高了将近9%。最后,通过在聚四氟乙烯(PTFE)板表面刻蚀出均匀排列的微米级圆柱体,随后将自制超亲水性SiO_2颗粒粘附到微结构表面,获得耐久性超亲水PTFE板。将所获超亲水PTFE板用在液体除湿空调系统中,探究超亲水塑料工作板对液体除湿系统性能的影响。系统实验发现,与未涂覆超亲水涂层的PTFE板相比,超亲水PTFE板表面的润湿面积增加1.5～5倍,平均液膜厚度降低1.4～2.4倍,除湿率提高1.3～1.8倍,除湿性能得到了明显的改善。
【图文】：

SEM图,荷叶,自清洁,超疏水

水自清洁特性的荷叶表面。（a）荷叶表面的实物图；（b）在荷叶表面着苏丹红颗粒的水滴在被污染的荷叶表面滚动的瞬间；（d）荷叶表面微SEM图us leaves with superhydrophobic and self-cleaning properties. (a) The phwater droplets on the lotus surface with spherical shape; (c) a water dro with collecting the contaminations which was sudan red dirt contaminaleaf; (d) the SEM image of surface morphology on the lotus leaves疏水表面的制备方法不断涌现，但是绝大多数方法制备的超生产和生活中，不可避免的，表面会受到各种外力的作用。工业生产和生活中被广泛使用的主要障碍，就是其弱的耐久性用。通过对动植物所具有的超疏水特性的研究和分析，发现超两个方面决定：(1) 表面形貌结构；(2) 固体表面能。因此，超环境下而引起疏水性能降低也就归因于两个方面：第一、表面

固体表面,水接触角,浸润性

积使之内聚力达到平衡。当受力达到平衡时，也就意味着液体的收缩达到平衡，此时将收缩单位长度所用的力称为表面张力[7]。在不考虑重力情况下，当液滴处在空气中时，液体将收缩成球形以使表面积达到最小。对于固体而言，由于表面分子/原子自由移动的可能性远远小于液体分子/原子，所以分子受力的不均匀性要远高于液体分子，从而造成表面具有非常高的表面张力。当液体接触到固体表面时，就会出现浸润现象。若液体的表面张力（ L）比固体表面张力（ S）小时，液体会在固体表面铺展，称之为润湿过程；若 L比 S大时，液体会在固体表面收缩，称之为不润湿过程。液体在固体表面的浸润性可以通过接触角 θ 做定量描述：当 θ<90°时，被认为液体可以润湿固体表面，并称此固体表面具有亲液特性(如图 1-2d)；当 θ> 90°时，液滴不能润湿固体表面，，并出现收缩成球的现象，此时固体表面被认为具有疏液现象(如图 1-2c)；特殊的，当 θ>150°时，固体表面就被称为超疏液表面(如图 1-2b 和 a)；当 θ< 10°时，固体表面就被称为超亲液表面(如图 1-2e)。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB306;O647.5

【参考文献】