铜基底超疏水薄膜的制备与研究

发布时间：2017-06-11 10:00

  本文关键词：铜基底超疏水薄膜的制备与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：浸润性是固体表面重要特性之一，也是自然界、日常生活中最常见的界面现象之一。具有特殊浸润性的超疏水表面因在自清洁表面、微流体系统、防水防腐蚀及生物相容性等许多领域中有着良好的应用前景，引起了科学界的广泛关注。表面浸润性主要由固体表面化学组成和表面微细几何结构共同决定，因此制备超疏水表面主要是通过在粗糙的表面上修饰低表面能的物质和在低表面能材料的表面构建粗糙结构这两种方式实现。目前，超疏水表面材料的制备方法多种多样，但大多存在制备条件苛刻、加工设备特殊或工艺过程复杂等不足以及粗糙表面通常会影响到材料的使用性能等问题，未能使超疏水材料得到普遍应用。因此探索成本低廉、工艺简单、环境友好、性能优良的超疏水表面制备的方法仍然是一项具有挑战性的研究课题。本论文基于固体表面浸润性理论，以自然界中超疏水性现象为基础，采用化学置换法和湿润缓慢退火相结合的方法成功制备了铜基底超疏水薄膜，并对其疏水性能进行了深入的理论分析，具体内容如下： 1.以经硝酸刻蚀具有适宜粗糙结构的铜片为基底，首次采用化学置换法和缓慢退火相结合的方法制备了微纳米双阶层结构的超疏水薄膜，并设计实验探索影响表面微观结构的因素及其影响规律。 2.利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱、接触角测量仪等测试方法对处理前后铜基薄膜的结构、形貌、表面元素组成与润湿等性能进行了表征和分析。 3.对所制备的超疏水铜基开展了空气中稳定性测试、水下浸泡测试、表面自清洁测试、抗腐蚀能力测试、酸碱滴定测试以及疏油测试，探究了超疏水铜膜表面的优异性能。 该方法仪器设备和实验过程简单，，突破传统的超疏水表面的制备方法，不需要低表面自由能有机物的修饰。通过分析制备过程中铜表面组成、形貌及与水的接触角的变化，研究了刻蚀时间、反应时间、反应浓度、退火方式、退火时间和退火温度以及溶剂的种类对表面润湿性变化的影响规律，分析出超疏水薄膜制备的决定性因素和最佳条件。其中，退火在制备该超疏水表面的过程中起着关键的作用。 超疏水表面由微纳米复合结构组成，主要特征在于表面具有微纳米尺寸的珊瑚状结构。在最佳条件下，该表面具有良好的超疏水性能，水滴在该薄膜上的最大接触角约为170±2°，滚动角约为0±2°，属于典型的Cassie态的超疏水表面。 超疏水处理后的铜片呈现很好的不粘性、长久的稳定性，而且在含氯离子溶液中的抗腐蚀能力显著提高，此外该样品还具有超疏油的功能，可作为超双疏表面，具有潜在应用价值。同时，它也为超疏水材料在实际生产应用中的推广提供了一定的实验基础。
【关键词】：润湿性 超疏水表面 微纳米复合结构 铜基底
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O647.1;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-13
• 第1章 绪论13-46
• 1.1 引言13-14
• 1.2 自然界中的超疏水现象14-17
• 1.2.1 荷叶14-15
• 1.2.2 水黾15-16
• 1.2.3 水稻叶16
• 1.2.4 蝴蝶翅膀16-17
• 1.3 超疏水表面的理论基础17-23
• 1.3.1 润湿性的基本概念17-18
• 1.3.2 Young 氏方程18-19
• 1.3.3 Wenzel 方程19-20
• 1.3.4 Cassie-Baxter 方程20-22
• 1.3.5 Wenzel 模型和 Cassie-Baxter 模型之间的关系22-23
• 1.3.6 接触角的测量方法23
• 1.4 超疏水表面的制备方法23-36
• 1.4.1 模板法23-25
• 1.4.2 刻蚀法25-26
• 1.4.3 电纺法26-28
• 1.4.4 沉积法28-30
• 1.4.5 溶胶-凝胶法30-31
• 1.4.6 相分离法31-32
• 1.4.7 机械加工法32-33
• 1.4.8 自组装法33
• 1.4.9 水热法33-34
• 1.4.10 一步浸泡法34-35
• 1.4.11 其它方法35-36
• 1.5 超疏水表面应用及存在的问题36-38
• 1.5.1 超疏水表面的应用36-37
• 1.5.2 超疏水表面技术中存在的问题37-38
• 1.6 新型功能超疏水表面的制备研究38-42
• 1.6.1 具有光学性能的透明超疏水表面38-39
• 1.6.2 超疏水织物39
• 1.6.3 超双疏表面39-40
• 1.6.4 开关型‖超疏水表面40-42
• 1.6.5 耐候性强及可修复超疏水表面42
• 1.6.6 其他新型功能超疏水表面42
• 1.7 选题依据与研究内容42-46
• 1.7.1 选题依据42-44
• 1.7.2 本课题组的研究现况44-45
• 1.7.3 主要研究内容45-46
• 第2章 样品制备及表征方法46-49
• 2.1 实验部分46-47
• 2.1.1 试剂和仪器46
• 2.1.2 铜基底的表面预处理46-47
• 2.1.3 铜基底超疏水表面的制备47
• 2.2 样品表征47-49
• 2.2.1 润湿性能分析47
• 2.2.2 显微结构分析47
• 2.2.3 晶体结构分析47-48
• 2.2.4 化学成分分析48
• 2.2.5 抗腐蚀性分析48
• 2.2.6 功能特性分析48-49
• 第3章 铜基底超疏水表面的结构、性能和表征49-62
• 3.1 引言49
• 3.2 铜基底超疏水表面浸润性的单因素影响测试49-54
• 3.2.1 刻蚀时间对超疏水表面浸润性的影响49-50
• 3.2.2 反应浓度对超疏水表面浸润性的影响50-51
• 3.2.3 反应时间对超疏水表面浸润性的影响51-52
• 3.2.4 退火方式对超疏水表面浸润性的影响52
• 3.2.5 退火温度对超疏水表面浸润性的影响52
• 3.2.6 退火时间对超疏水表面浸润性的影响52-53
• 3.2.7 溶剂种类对超疏水表面浸润性的影响53
• 3.2.8 退火骤冷热对超疏水表面浸润性的影响53-54
• 3.3 铜基底超疏水表面的浸润性和表征分析54-59
• 3.3.1 静态接触角(CA)和滚动角(SA)的测量54-55
• 3.3.2 超疏水表面的形貌(SEM)分析55-57
• 3.3.3 超疏水表面的 X 射线衍射物相(XRD)分析57-58
• 3.3.4 超疏水表面的 X 射线光电子能谱(XPS)分析58-59
• 3.4 超疏水表面的超疏水原理和反应机理分析59-61
• 3.4.1 铜基底超疏水表面的超疏水原理分析59-60
• 3.4.2 铜基底超疏水表面的反应机理分析60-61
• 3.5 本章小结61-62
• 第4章 铜基底超疏水表面的性能研究62-67
• 4.1 引言62
• 4.2 实验结果分析62-66
• 4.2.1 空气中稳定性测试62-63
• 4.2.2 水下浸泡测试63
• 4.2.3 自清洁能力测试63-64
• 4.2.4 抗腐蚀能力测试64-65
• 4.2.5 酸碱滴定测试65-66
• 4.2.6 疏油测试66
• 4.3 本章小结66-67
• 第5章 结论与展望67-68
• 5.1 结论67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-77
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单77-78
• 致谢78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：441282