聚合物改性及微结构对其表面润湿性能影响的研究
发布时间：2020-05-19 21:54
【摘要】：润湿性是固体材料表面的基本性质,材料表面润湿性调控可应用在生物医用、仿生、涂料、润滑、自清洁等许多方面。在过去的几年中,特殊润湿性表面的设计和应用引起了越来越多的关注。影响表面润湿性能的最重要因素是固体的表面自由能(化学构成)和表面微结构。虽然相关的研究取得了重大进展,但是特殊润湿性能表面的制备方法依然具有很多缺点,比如制备周期较长,成本高,疏液面积小等,这些都非常不利于特殊润湿性能表面制备技术的推广。本论文为改善以上问题,基于聚合物表面改性及微结构的实验,探究两者对聚合物表面润湿性的影响因素,从基础理论研究中总结实验规律,并提出了多种改善聚合物表面润湿性能的加工制备方法。本文研究了规则多边形微结构修饰聚合物表面,研究了方格网络有序排列微纳石英修饰LDPE表面,通过共混硅酮母粒制备特殊润湿性能表面,并以表面涂覆的方法进一步改善表面润湿性能,还设计改性PDMS表面润湿性能的表面改性剂分子。本文为制备聚合物特殊润湿性表面提供了新的思路,主要工作成果如下:本文研究了微结构对聚合物表面润湿性能的影响。在规则多边形微结构修饰聚合物表面实验,以LDPE、PP、ABS、PMMA为实验原料,以三角形微结构和六边形微结构为模具,以注塑微结构为加工方法,制备了特殊润湿性能表面,测试了去离子水和表面能极低的洗洁精在其表面的接触角,总结出低成本大尺寸的特殊润湿性能表面的制备方法,探讨了三角形和六边形微结构对表面润湿性能的影响。通过方格网络有序排列微纳石英修饰聚碳酸酯表面实验,将分散的微纳尺寸石英粉均匀有序排列在更小尺寸的微纳方格网络中,以热压印为技术手段,将“粗粒细网”结构修饰LDPE表面形成“粗底细头”的微结构,制备了近似超疏水的特殊润湿性能表面。本文通过共混硅酮母粒和表面涂覆二氧化硅和光扩散机制备特殊润湿性表面,研究了表面化学组成对固体表面润湿性能的影响。在共混硅酮母粒改性聚合物表面实验中,以工程应用最为广泛的两种聚合物PP和LLDPE作为实验原料,以三角形微结构和六边形微结构为模具,制备特殊润湿性能表面,测试了去离子水和色拉油与表面的接触角,继续完善了低成本大尺寸的特殊润湿性能表面的制备技术,并且探讨了微结构之间的间隙对于聚合物表面基团取向的影响。通过将LLDPE、PP纯片及其共混样片分别涂覆成膜,制备特殊润湿性能表面,测试了去离子水、乙二醇和甲酰胺在其表面的接触角,根据LW-AB法计算得出相应固体表面能,对比了纳米二氧化硅和光扩散剂的涂覆改性作用。
【图文】：
逑蜻蜓具有超疏水结构的可在雨中飞翔的翅膀，荷叶水接触角达到了邋１６４°，逡逑蜻蜓翼膜水接触角达到了邋１７３°，，见图１－２。此外，我们还可以发现玫瑰花瓣的逡逑高粘合力水稻叶片的各向异性润湿性［７３］，蝴蝶翅膀的定向附着，蚊子的逡逑眼睛的防雾能力ｐＧ］，沙漠甲虫的水收集［３６］，水下长时间保持空气的槐叶植物［７５］逡逑水黾步行跳跃在水面上［７６］。发现分层微观结构及其上面的化学成分导致了上述逡逑生物的特性，这激励人类设计和制备具有特殊润湿性的仿生表面［３４，４１］。逡逑ｍｍ逡逑图１－２水接触角达到１６４°的荷叶表面及其微结构和水接触角达到１７３°的蜻蜓翼膜以及逡逑微结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｏｔｕｓ邋ｌｅａｆ邋ｗｉｔｈ邋ｗａｔｅｒ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ邋ｕｐ邋ｔｏ邋１６４°邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑ａｎｄ邋ｗａｔｅｒ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ邋ｕｐ邋ｔｏ邋１７３°逡逑跳虫的皮肤不仅具有超疏水性，而且具有类似的超疏油性能，可以阻止各种逡逑有机液体润湿皮肤。跳虫的皮肤上覆盖着许多相互连接的纳米颗粒的刷毛和菱形逡逑网格。逡逑鱼能够在油污水中自由游泳而不会沾污鱼鳞。江雷等人发现鱼皮的优异抗油逡逑能力来源于水介质中淲屑的超疏油性［４１］。水可以湿润鱼淲并被困在鱼淲粗糙的逡逑微结构中，产生防油水垫。因此，亲水性质和微观粗糙的微结构，可以使鱼鳞形逡逑成水下超疏油和具有较强的抗油能力。逡逑短蛤的内壳通常由两个不同的区域组成：相对光滑的边缘区域和粗糙的中心逡逑区域￥］。这两个区域的化学组合物是几乎相同的
这个方程只适用于理想的光滑表面。早在１９３６年，Ｗｅｎｚｅｌ意识到粗糙度对逡逑材料表面润湿性的影响［７８１。根据表面张力的定义，他指出：个粗糙基底的实际表逡逑面面积比其表观表面面积大，并且进一步提出一个新的模型（图２－ｌｂ）来描述的逡逑接触角０在粗糙表面：逡逑ｃｏｓ９ｒ邋－邋ｒ｛ｙｓＡ邋ＹｓＬ＾邋＝邋ｒｃｏｓＱ逦邋（２－１１）逡逑Ｙｌａ逡逑由前面的Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程可以推知，当水滴放置于处于大气环境下的固体表逡逑面时，固气和液－气界面的夹角０Ｗ可以由以下公式表达：逡逑ＣＯＳ０邋＝ｙｉＡＩＩｓｗ逦邋（２－１２）逡逑ＹＷＡ逡逑ｙＭ、分别是固－气，固－液和液－气的表面张力。当油滴放置于处于逡逑大气环境下的固体表面时，上述杨氏方程则可以修正如下：逡逑ｃｏｓ０邋＝ｙｓＡｉＹｓ0逦邋（２－１３）逡逑Ｙｏａ逡逑其中６0是固－油和油－气之间的夹角。ｙＳ／４、ｙＳ０、ｙ０ｉ４分别是固－气，固－油和逡逑油－气的表面张力。从公式１－１２和１－１３可以推断出，只有当固－油的表面张力逡逑大于固－气表面张力ｙＭ时，才可以获得“疏液”的表面。逡逑９逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB306
本文编号：2671543
【图文】：
逑蜻蜓具有超疏水结构的可在雨中飞翔的翅膀，荷叶水接触角达到了邋１６４°，逡逑蜻蜓翼膜水接触角达到了邋１７３°，，见图１－２。此外，我们还可以发现玫瑰花瓣的逡逑高粘合力水稻叶片的各向异性润湿性［７３］，蝴蝶翅膀的定向附着，蚊子的逡逑眼睛的防雾能力ｐＧ］，沙漠甲虫的水收集［３６］，水下长时间保持空气的槐叶植物［７５］逡逑水黾步行跳跃在水面上［７６］。发现分层微观结构及其上面的化学成分导致了上述逡逑生物的特性，这激励人类设计和制备具有特殊润湿性的仿生表面［３４，４１］。逡逑ｍｍ逡逑图１－２水接触角达到１６４°的荷叶表面及其微结构和水接触角达到１７３°的蜻蜓翼膜以及逡逑微结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｏｔｕｓ邋ｌｅａｆ邋ｗｉｔｈ邋ｗａｔｅｒ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ邋ｕｐ邋ｔｏ邋１６４°邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑ａｎｄ邋ｗａｔｅｒ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ邋ｕｐ邋ｔｏ邋１７３°逡逑跳虫的皮肤不仅具有超疏水性，而且具有类似的超疏油性能，可以阻止各种逡逑有机液体润湿皮肤。跳虫的皮肤上覆盖着许多相互连接的纳米颗粒的刷毛和菱形逡逑网格。逡逑鱼能够在油污水中自由游泳而不会沾污鱼鳞。江雷等人发现鱼皮的优异抗油逡逑能力来源于水介质中淲屑的超疏油性［４１］。水可以湿润鱼淲并被困在鱼淲粗糙的逡逑微结构中，产生防油水垫。因此，亲水性质和微观粗糙的微结构，可以使鱼鳞形逡逑成水下超疏油和具有较强的抗油能力。逡逑短蛤的内壳通常由两个不同的区域组成：相对光滑的边缘区域和粗糙的中心逡逑区域￥］。这两个区域的化学组合物是几乎相同的
这个方程只适用于理想的光滑表面。早在１９３６年，Ｗｅｎｚｅｌ意识到粗糙度对逡逑材料表面润湿性的影响［７８１。根据表面张力的定义，他指出：个粗糙基底的实际表逡逑面面积比其表观表面面积大，并且进一步提出一个新的模型（图２－ｌｂ）来描述的逡逑接触角０在粗糙表面：逡逑ｃｏｓ９ｒ邋－邋ｒ｛ｙｓＡ邋ＹｓＬ＾邋＝邋ｒｃｏｓＱ逦邋（２－１１）逡逑Ｙｌａ逡逑由前面的Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程可以推知，当水滴放置于处于大气环境下的固体表逡逑面时，固气和液－气界面的夹角０Ｗ可以由以下公式表达：逡逑ＣＯＳ０邋＝ｙｉＡＩＩｓｗ逦邋（２－１２）逡逑ＹＷＡ逡逑ｙＭ、分别是固－气，固－液和液－气的表面张力。当油滴放置于处于逡逑大气环境下的固体表面时，上述杨氏方程则可以修正如下：逡逑ｃｏｓ０邋＝ｙｓＡｉＹｓ0逦邋（２－１３）逡逑Ｙｏａ逡逑其中６0是固－油和油－气之间的夹角。ｙＳ／４、ｙＳ０、ｙ０ｉ４分别是固－气，固－油和逡逑油－气的表面张力。从公式１－１２和１－１３可以推断出，只有当固－油的表面张力逡逑大于固－气表面张力ｙＭ时，才可以获得“疏液”的表面。逡逑９逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB306
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 彭珊;超疏水/超双疏材料的制备及其性能研究[D];华南理工大学;2015年
相关硕士学位论文 前1条
1 陈晓磊;固体聚合物表面接触角的测量及表面能研究[D];中南大学;2012年
本文编号：2671543
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