微纳多尺度粒子超疏水表面的构筑及其性能研究
发布时间：2023-04-02 23:28
超疏水材料被广泛应用于抗污、自清洁、防覆冰、抗生物黏着、防腐、降低流阻、液滴转运和水雾收集等领域,故受到科研工作者和工程技术人员的关注。通过研究具有“荷叶效应”或“玫瑰花瓣效应”的天然超疏水表面微观粗糙结构和低表面能化学组成,认为层级差异和微观间隙尺度是调控超疏水表面水粘附行为的关键。当前,高阶层粗糙度、易于控制形貌和组分的微纳多尺度粒子已被用于构筑不同水粘附力超疏水表面,然而,现有制备微纳多尺度粒子的方法大多通过微纳米级结构间的物理吸附或化学键合,存在工艺复杂、依赖疏水性修饰、物理机械性能较低、超疏水耐久性不佳等问题。本课题以研发分层粗糙结构可控的微纳多尺度粒子构筑方法为基础,旨在同时实现结构稳固成形及其低表面能化,在无需后修饰的条件下,制备超疏水材料表面;并通过调控微纳多尺度粒子层级差异和形貌,使由其构成的超疏水表面水粘附行为从高粘附状态变化到低粘附状态。课题研究内容为:将聚合物空心微球作为微型反应器,负载反应单体或纳米颗粒到空心微球中,引发微球内单体聚合并固着微球表面纳米颗粒,以“自下而上”的方式,构筑微纳多尺度粒子;并通过调整其分层粗糙结构形貌,制备水粘附力可控的超疏水表面;以...
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 天然超疏水表面结构研究现状
1.2.1 低水粘附力的荷叶表面
1.2.2 高水粘附力的玫瑰花瓣表面
1.2.3 其它天然超疏水表面
1.3 润湿模型和表面疏水理论
1.3.1 表面张力和表面能对润湿行为的影响
1.3.2 Wenzel和 Cassie-Baxter润湿模型
1.3.3 Cassie impregnating润湿模型
1.3.4 表面疏水理论的研究进展
1.4 超疏水材料表面的制备方法及其进展
1.4.1 模板法
1.4.2 溶胶-凝胶法
1.4.3 化学修饰法和自组装法
1.4.4 热裂解法与化学沉积法
1.4.5 光刻蚀法
1.5 超疏水微纳多尺度粒子的制备及应用现状
1.5.1 微纳多尺度粒子构筑低水粘附力超疏水表面
1.5.2 微纳多尺度粒子构筑高水粘附力超疏水表面
1.5.3 存在的问题
1.6 本课题的研究意义、目的及主要研究内容
1.6.1 研究意义与目的
1.6.2 主要研究内容
参考文献
第二章 聚合物空心微球的结构设计及其形貌调控
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 材料与仪器
2.2.2 实验方法
2.2.2.1 乙烯基改性SiO2模板的制备
2.2.2.2 SiO2@P(S-DVB)微球的制备
2.2.2.3 P(S-DVB)空心微球的制备
2.2.2.4 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备
2.2.3 表征与测试
2.2.3.1 扫描电子显微镜与能量色散谱
2.2.3.2 透射电子显微镜
2.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
2.2.3.4 热重分析
2.2.3.5 静态水接触角
2.3 结果与讨论
2.3.1 P(S-DVB)空心微球结构表征及形成机制研究
2.3.1.1 P(S-DVB)空心微球的形貌
2.3.1.2 P(S-DVB)空心微球的红外光谱分析
2.3.1.3 P(S-DVB)空心微球的热分解性能
2.3.1.4 P(S-DVB)空心微球的形成机制分析
2.3.2 P(S-DVB)空心微球的形貌调控方法
2.3.2.1 DVB用量
2.3.2.2 AIBN用量
2.3.2.3 VTES用量
2.3.3 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备及其性能
2.4 本章小结
参考文献
第三章 微纳双级结构材料表面的构筑及其性能研究
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 材料与仪器
3.2.2 实验方法
3.2.2.1 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备
3.2.2.2 微纳双级结构材料表面的构筑
3.2.2.3 具有荧光效应微纳双级结构材料表面的构筑
3.2.3 表征与测试
3.2.3.1 扫描电子显微镜与能量色散谱
3.2.3.2 透射电子显微镜
3.2.3.3 静态水接触角
3.2.3.4 金相显微镜
3.3 结果与讨论
3.3.1 微纳双级结构材料表面的构筑与形成机制
3.3.2 微纳双级结构材料表面对水的粘附性
3.3.3 材料表面微纳双级结构理论模型和水粘附力理论计算
3.3.4 微纳双级结构材料表面的稳定性
3.3.5 紫外暗箱高可见液滴转运
3.4 本章小结
参考文献
第四章 微纳多级结构复合粒子的制备及其应用性能研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 材料与仪器
4.2.2 实验方法
4.2.2.1 NCs的制备
4.2.2.2 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备
4.2.2.3 MHPs的制备
4.2.2.4 超疏水表面的构筑
4.2.3 表征与测试
4.2.3.1 扫描电子显微镜
4.2.3.2 透射电子显微镜
4.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
4.2.3.4 热重分析
4.2.3.5 X射线衍射分析
4.2.3.6 高斯模拟
4.2.3.7 接触角、滚动角以及水粘附力
4.2.3.8 高速摄像拍摄
4.2.3.9 耐磨稳定性
4.3 结果与讨论
4.3.1 NCs的表征及其反应机制
4.3.1.1 NCs的表面形貌及结晶度
4.3.1.2 NCs的红外光谱和热性能
4.3.1.3 NCs制备过程的高斯模拟
4.3.2 MHPs的形貌与水粘附力调控
4.3.2.1 MHPs的形成机制
4.3.2.2 MHPs的结构形貌
4.3.2.3 MHPs组成的表面润湿性能和水粘附力调控
4.3.3 超疏水棉织物表面构筑及其性能
4.3.3.1 超疏水棉织物表面的表征
4.3.3.2 超疏水棉织物表面的抗污及自清洁性能
4.3.3.3 超疏水棉织物表面的稳定性
4.4 本章小结
参考文献
第五章 彩色微纳多级结构复合粒子的制备及其应用性能研究
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 材料与仪器
5.2.2 实验方法
5.2.2.1 NCs的制备
5.2.2.2 P(S-DVB)空心微球的制备
5.2.2.3 P(S-DVB)@P(S-EDGMA)@NCs粒子和P(S-DVB)@P(S-EDGMA)粒子的制备
5.2.2.4 SLPs的制备
5.2.2.5 多彩SRF的构筑
5.2.3 表征与测试
5.2.3.1 扫描电子显微镜
5.2.3.2 透射电子显微镜
5.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
5.2.3.4 X射线衍射分析
5.2.3.5 色度参数与K/S值曲线
5.2.3.6 接触角和滚动角
5.2.3.7 高速摄像拍摄
5.2.3.8 耐磨稳定性
5.2.3.9 剥离力和粘贴稳定性
5.3 结果与讨论
5.3.1 SLPs的构筑过程与颜色性能
5.3.1.1 SLPs的形成机制
5.3.1.2 SLPs的表征
5.3.1.3 SLPs的颜色稳定性
5.3.2 多彩SRF的构筑及其性能
5.3.2.1 SLPs对 SRF的构筑
5.3.2.2 SRF的润湿性能和颜色性能
5.3.2.3 SRF的稳定性
5.4 本章小结
参考文献
第六章 超疏水聚合物块体的制备及其应用性能研究
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 材料与仪器
6.2.2 实验方法
6.2.2.1 NCs块体的制备
6.2.2.2 UNCs修饰Fe3O4 的制备
6.2.2.3 磁性NCs块体和彩色NCs粉笔的制备
6.2.2.4 正戊醇基NCs块体的制备
6.2.3 表征与测试
6.2.3.1 扫描电子显微镜
6.2.3.2 空隙率
6.2.3.3 比表面积和孔体积
6.2.3.4 压缩应力应变曲线
6.2.3.5 肖氏硬度
6.2.3.6 傅里叶变换红外光谱
6.2.3.7 X射线衍射分析
6.2.3.8 接触角和滚动角
6.2.3.9 高速摄像拍摄
6.2.3.10 吸油效率
6.2.3.11 耐磨稳定性
6.3 结果与讨论
6.3.1 BPEI对 NCs块体的结构调控
6.3.1.1 NCs块体的形成机制
6.3.1.2 NCs块体的微观形貌和防水吸油性能
6.3.1.3 NCs块体的物理性能和XRD曲线
6.3.1.4 NCs块体的BET比表面积和孔体积及应力-应变曲线
6.3.2 溶剂对NCs块体的结构调控
6.3.2.1 正戊醇基NCs块体的表征和润湿性能
6.3.2.2 正戊醇基NCs块体的物理性能
6.3.2.3 正戊醇基NCs块体的BET比表面积和孔体积及应力-应变曲线
6.3.3 磁性NCs块体的制备及性能
6.3.3.1 UNCs修饰Fe3O4 的制备和表征
6.3.3.2 磁性NCs块体的表征
6.3.3.3 磁性NCs块体的油水分离性能
6.3.3.4 磁性NCs块体的稳定性
6.3.4 NCs粉笔的制备及性能
6.3.4.1 NCs粉笔的表征
6.3.4.2 NCs粉笔涂层织物的性能
6.3.5 NCs弹性体的制备及性能
6.4 本章小结
参考文献
第七章 超疏水纤维素薄片的制备及其应用性能研究
7.1 引言
7.2 实验部分
7.2.1 材料与仪器
7.2.2 实验方法
7.2.2.1 超疏水OCS-NCs彩色纤维素薄片的制备
7.2.2.2 亲水性彩色纤维素浆粕和OCS/APTES纤维素薄片的制备
7.2.2.3 含双色表面润湿不对称纤维素薄片的制备
7.2.2.4 超疏水CS-NCs纤维素薄片和CS/APTES纤维素薄片的制备
7.2.3 表征与测试
7.2.3.1 扫描电子显微镜
7.2.3.2 X射线衍射分析
7.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
7.2.3.4 断裂强力
7.2.3.5 K/S值曲线
7.2.3.6 高速摄像拍摄
7.2.3.7 接触角和滚动角
7.2.3.8 UV光致发光性能和荧光淬灭现象
7.2.3.9 荧光强度
7.3 结果与讨论
7.3.1 超疏水OCS-NCs彩色纤维素薄片的制备及性能
7.3.1.1 微观结构和润湿性能
7.3.1.2 物理性能
7.3.1.3 形成机制
7.3.1.4 化学信息表征
7.3.1.5 超疏水应用性能
7.3.1.6 颜色稳定性
7.3.2 含双色表面润湿不对称纤维素薄片的制备及性能
7.3.2.1 构筑过程和形成机制
7.3.2.2 选择性油水分离
7.3.3 UV光致发光超疏水CS-NCs纤维素薄片的制备及性能
7.3.3.1 化学信息表征
7.3.3.2 UV光致发光性能和荧光稳定性
7.4 本章小结
参考文献
第八章 主要结论与展望
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 展望
致谢
附录一 :作者在攻读博士学位期间取得的成果
附录二 :部分缩略词对照表
本文编号：3780180
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 天然超疏水表面结构研究现状
1.2.1 低水粘附力的荷叶表面
1.2.2 高水粘附力的玫瑰花瓣表面
1.2.3 其它天然超疏水表面
1.3 润湿模型和表面疏水理论
1.3.1 表面张力和表面能对润湿行为的影响
1.3.2 Wenzel和 Cassie-Baxter润湿模型
1.3.3 Cassie impregnating润湿模型
1.3.4 表面疏水理论的研究进展
1.4 超疏水材料表面的制备方法及其进展
1.4.1 模板法
1.4.2 溶胶-凝胶法
1.4.3 化学修饰法和自组装法
1.4.4 热裂解法与化学沉积法
1.4.5 光刻蚀法
1.5 超疏水微纳多尺度粒子的制备及应用现状
1.5.1 微纳多尺度粒子构筑低水粘附力超疏水表面
1.5.2 微纳多尺度粒子构筑高水粘附力超疏水表面
1.5.3 存在的问题
1.6 本课题的研究意义、目的及主要研究内容
1.6.1 研究意义与目的
1.6.2 主要研究内容
参考文献
第二章 聚合物空心微球的结构设计及其形貌调控
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 材料与仪器
2.2.2 实验方法
2.2.2.1 乙烯基改性SiO2模板的制备
2.2.2.2 SiO2@P(S-DVB)微球的制备
2.2.2.3 P(S-DVB)空心微球的制备
2.2.2.4 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备
2.2.3 表征与测试
2.2.3.1 扫描电子显微镜与能量色散谱
2.2.3.2 透射电子显微镜
2.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
2.2.3.4 热重分析
2.2.3.5 静态水接触角
2.3 结果与讨论
2.3.1 P(S-DVB)空心微球结构表征及形成机制研究
2.3.1.1 P(S-DVB)空心微球的形貌
2.3.1.2 P(S-DVB)空心微球的红外光谱分析
2.3.1.3 P(S-DVB)空心微球的热分解性能
2.3.1.4 P(S-DVB)空心微球的形成机制分析
2.3.2 P(S-DVB)空心微球的形貌调控方法
2.3.2.1 DVB用量
2.3.2.2 AIBN用量
2.3.2.3 VTES用量
2.3.3 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备及其性能
2.4 本章小结
参考文献
第三章 微纳双级结构材料表面的构筑及其性能研究
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 材料与仪器
3.2.2 实验方法
3.2.2.1 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备
3.2.2.2 微纳双级结构材料表面的构筑
3.2.2.3 具有荧光效应微纳双级结构材料表面的构筑
3.2.3 表征与测试
3.2.3.1 扫描电子显微镜与能量色散谱
3.2.3.2 透射电子显微镜
3.2.3.3 静态水接触角
3.2.3.4 金相显微镜
3.3 结果与讨论
3.3.1 微纳双级结构材料表面的构筑与形成机制
3.3.2 微纳双级结构材料表面对水的粘附性
3.3.3 材料表面微纳双级结构理论模型和水粘附力理论计算
3.3.4 微纳双级结构材料表面的稳定性
3.3.5 紫外暗箱高可见液滴转运
3.4 本章小结
参考文献
第四章 微纳多级结构复合粒子的制备及其应用性能研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 材料与仪器
4.2.2 实验方法
4.2.2.1 NCs的制备
4.2.2.2 P(S-DVB-TFEMA)空心微球的制备
4.2.2.3 MHPs的制备
4.2.2.4 超疏水表面的构筑
4.2.3 表征与测试
4.2.3.1 扫描电子显微镜
4.2.3.2 透射电子显微镜
4.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
4.2.3.4 热重分析
4.2.3.5 X射线衍射分析
4.2.3.6 高斯模拟
4.2.3.7 接触角、滚动角以及水粘附力
4.2.3.8 高速摄像拍摄
4.2.3.9 耐磨稳定性
4.3 结果与讨论
4.3.1 NCs的表征及其反应机制
4.3.1.1 NCs的表面形貌及结晶度
4.3.1.2 NCs的红外光谱和热性能
4.3.1.3 NCs制备过程的高斯模拟
4.3.2 MHPs的形貌与水粘附力调控
4.3.2.1 MHPs的形成机制
4.3.2.2 MHPs的结构形貌
4.3.2.3 MHPs组成的表面润湿性能和水粘附力调控
4.3.3 超疏水棉织物表面构筑及其性能
4.3.3.1 超疏水棉织物表面的表征
4.3.3.2 超疏水棉织物表面的抗污及自清洁性能
4.3.3.3 超疏水棉织物表面的稳定性
4.4 本章小结
参考文献
第五章 彩色微纳多级结构复合粒子的制备及其应用性能研究
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 材料与仪器
5.2.2 实验方法
5.2.2.1 NCs的制备
5.2.2.2 P(S-DVB)空心微球的制备
5.2.2.3 P(S-DVB)@P(S-EDGMA)@NCs粒子和P(S-DVB)@P(S-EDGMA)粒子的制备
5.2.2.4 SLPs的制备
5.2.2.5 多彩SRF的构筑
5.2.3 表征与测试
5.2.3.1 扫描电子显微镜
5.2.3.2 透射电子显微镜
5.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
5.2.3.4 X射线衍射分析
5.2.3.5 色度参数与K/S值曲线
5.2.3.6 接触角和滚动角
5.2.3.7 高速摄像拍摄
5.2.3.8 耐磨稳定性
5.2.3.9 剥离力和粘贴稳定性
5.3 结果与讨论
5.3.1 SLPs的构筑过程与颜色性能
5.3.1.1 SLPs的形成机制
5.3.1.2 SLPs的表征
5.3.1.3 SLPs的颜色稳定性
5.3.2 多彩SRF的构筑及其性能
5.3.2.1 SLPs对 SRF的构筑
5.3.2.2 SRF的润湿性能和颜色性能
5.3.2.3 SRF的稳定性
5.4 本章小结
参考文献
第六章 超疏水聚合物块体的制备及其应用性能研究
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 材料与仪器
6.2.2 实验方法
6.2.2.1 NCs块体的制备
6.2.2.2 UNCs修饰Fe3O4 的制备
6.2.2.3 磁性NCs块体和彩色NCs粉笔的制备
6.2.2.4 正戊醇基NCs块体的制备
6.2.3 表征与测试
6.2.3.1 扫描电子显微镜
6.2.3.2 空隙率
6.2.3.3 比表面积和孔体积
6.2.3.4 压缩应力应变曲线
6.2.3.5 肖氏硬度
6.2.3.6 傅里叶变换红外光谱
6.2.3.7 X射线衍射分析
6.2.3.8 接触角和滚动角
6.2.3.9 高速摄像拍摄
6.2.3.10 吸油效率
6.2.3.11 耐磨稳定性
6.3 结果与讨论
6.3.1 BPEI对 NCs块体的结构调控
6.3.1.1 NCs块体的形成机制
6.3.1.2 NCs块体的微观形貌和防水吸油性能
6.3.1.3 NCs块体的物理性能和XRD曲线
6.3.1.4 NCs块体的BET比表面积和孔体积及应力-应变曲线
6.3.2 溶剂对NCs块体的结构调控
6.3.2.1 正戊醇基NCs块体的表征和润湿性能
6.3.2.2 正戊醇基NCs块体的物理性能
6.3.2.3 正戊醇基NCs块体的BET比表面积和孔体积及应力-应变曲线
6.3.3 磁性NCs块体的制备及性能
6.3.3.1 UNCs修饰Fe3O4 的制备和表征
6.3.3.2 磁性NCs块体的表征
6.3.3.3 磁性NCs块体的油水分离性能
6.3.3.4 磁性NCs块体的稳定性
6.3.4 NCs粉笔的制备及性能
6.3.4.1 NCs粉笔的表征
6.3.4.2 NCs粉笔涂层织物的性能
6.3.5 NCs弹性体的制备及性能
6.4 本章小结
参考文献
第七章 超疏水纤维素薄片的制备及其应用性能研究
7.1 引言
7.2 实验部分
7.2.1 材料与仪器
7.2.2 实验方法
7.2.2.1 超疏水OCS-NCs彩色纤维素薄片的制备
7.2.2.2 亲水性彩色纤维素浆粕和OCS/APTES纤维素薄片的制备
7.2.2.3 含双色表面润湿不对称纤维素薄片的制备
7.2.2.4 超疏水CS-NCs纤维素薄片和CS/APTES纤维素薄片的制备
7.2.3 表征与测试
7.2.3.1 扫描电子显微镜
7.2.3.2 X射线衍射分析
7.2.3.3 傅里叶变换红外光谱
7.2.3.4 断裂强力
7.2.3.5 K/S值曲线
7.2.3.6 高速摄像拍摄
7.2.3.7 接触角和滚动角
7.2.3.8 UV光致发光性能和荧光淬灭现象
7.2.3.9 荧光强度
7.3 结果与讨论
7.3.1 超疏水OCS-NCs彩色纤维素薄片的制备及性能
7.3.1.1 微观结构和润湿性能
7.3.1.2 物理性能
7.3.1.3 形成机制
7.3.1.4 化学信息表征
7.3.1.5 超疏水应用性能
7.3.1.6 颜色稳定性
7.3.2 含双色表面润湿不对称纤维素薄片的制备及性能
7.3.2.1 构筑过程和形成机制
7.3.2.2 选择性油水分离
7.3.3 UV光致发光超疏水CS-NCs纤维素薄片的制备及性能
7.3.3.1 化学信息表征
7.3.3.2 UV光致发光性能和荧光稳定性
7.4 本章小结
参考文献
第八章 主要结论与展望
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 展望
致谢
附录一 :作者在攻读博士学位期间取得的成果
附录二 :部分缩略词对照表
本文编号：3780180
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