含硅材料修饰下超疏水表面的构建与性能测试

发布时间：2020-04-10 00:14

【摘要】：超疏水微通道不仅具有传统亲疏水微通道在化工过程强化和安全控制等方面的优点,其在自清洁、提高传热系数和流体减阻等方面具有独特的优势,近十年来引起了大量研究者的关注。目前,超疏水材料的制备存在工艺繁琐、成本高和环境不友好等缺点。而将其应用于微通道,制备出性能稳定、可视性好的超疏水微通道的难度更大。本论文设计了不同的实验方法,开展了超疏水表面制备的研究,旨在设计并构建出可应用于疏水微通道反应器的机械性能良好的透明超疏水表面。论文首先采用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和溶胶-凝胶法,在玻璃基板表面构造粗糙结构,再利用三甲基氯硅烷(TMCS)对其表面进行处理,制备出透明的疏水膜。着重探讨TMCS用量、改性时间、不同酸碱性环境、氨水浓度和浸泡时间等对修饰后的玻璃基板表面接触角的影响。随后,为进一步提高表面疏水性,分别利用TMCS作为低表面能修饰剂,单尺度的二氧化硅纳米小球(SNSs)以及双尺度的补丁状二氧化硅纳米颗粒(PSNPs)构造粗糙结构;采用滴涂法在玻璃基板、打印纸和滤纸等多种基板表面构造出透明超疏水涂层;研究了粗糙度对于表面润湿性能的影响,并结合Wenzel模型与Cassie-Baxter模型进行理论了分析。为提高超疏水涂层的机械性能,分别采用两种实验设计,对基于聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)的疏水表面机械性能进行了改善:第一种方法是利用PDMS作为低表面能涂层和固化材料,并以疏水SNSs构造粗糙度并提供低表面能,采用旋涂和滴涂工艺,分别在玻璃和滤纸表面制备聚硅氧烷/二氧化硅杂化疏水涂层。实验中研究了SNSs用量对涂层接触角和微观形貌的影响。第二种方法利用固化后的PDMS薄膜作为基板,采用压印技术,制备出可转移的柔韧性良好的超疏水膜。上述研究为后续在微通道中的应用打下基础。
【图文】：

图 1-1 水滴在亲水、疏水和超疏水表面存在状态的示意图[13]g. 1-1 Schematic of water droplet existence on the hydrophilic, hydrophobicsuperhydrophobic surfaces表面润湿性的影响因素般认为有两个主要的因素影响固体表面的润湿性，即固体表面观粗糙结构。举例来说，自然界中的荷叶表面，从图 1-2 中可荷叶表面如同在空气中一样，仍可呈球状。而从旁边的电镜图，荷叶表面具有微米级的突起，从内置的放大图片可以观察到的绒毛的存在，也就是说荷叶表面同时具有这两个层次的微观研究发现，其纳米级结构由具有低表面能的蜡状化学物质构成微观结构与低表面能共同造就了荷叶表面自清洁的超疏水性能

图 1-1 水滴在亲水、疏水和超疏水表面存在状态的示意图[13]Fig. 1-1 Schematic of water droplet existence on the hydrophilic, hydrophobic andsuperhydrophobic surfaces.2.2 表面润湿性的影响因素一般认为有两个主要的因素影响固体表面的润湿性，即固体表面自由能面微观粗糙结构。举例来说，自然界中的荷叶表面，从图 1-2 中可以看到滴在荷叶表面如同在空气中一样，仍可呈球状。而从旁边的电镜图片中可察到，荷叶表面具有微米级的突起，从内置的放大图片可以观察到更细小米级的绒毛的存在，，也就是说荷叶表面同时具有这两个层次的微观结构。经过研究发现，其纳米级结构由具有低表面能的蜡状化学物质构成。这种次的微观结构与低表面能共同造就了荷叶表面自清洁的超疏水性能。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB306

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本文编号：2621466