石墨表面的湿润性及其调控研究

发布时间：2020-03-20 18:07

【摘要】：石墨储量丰富,具有耐高温、耐腐蚀、自润滑、抗热震性好、导热及导电等优越性能,已在航空、航天、核工业、军工以及许多民用工业领域得到了广泛的运用。研究并调控石墨的润湿性,对于石墨相关产品的制造、加工与应用等方面有着重要意义。已报道的石墨的接触角从35°~126°各不相同,本文对石墨润湿性方面的诸多争议进行深入对比分析,从表面物理性质和表面化学性质两个方面指出了造成润湿性差异的原因,并对石墨表面的润湿性进行了调控。在控制湿度的条件下,将宏观与微观润湿性表征相结合,探究了石墨表面本征润湿性。从表面物理性质的角度对已报道的石墨润湿性结果进行对比分析,通过扫描电子显微镜(SEM)和接触角(WCA)的表征,发现解理后的表面有较多的起层和破碎,粗糙不平的形貌造成很大的测量误差。通过改进预处理方法,如对解理的石墨片进行压平处理、选择石墨片中央平坦区域进行测量、调整了水滴体积参数,可有效减小接触角测量中的偏差与误差,实现重现性好、准确性高的石墨表面润湿性研究。从表面化学的角度表征石墨表面润湿性,通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)、Raman光谱等分析表明,新解理石墨为本征微亲水性材料(64°),而非长久以来所公认的疏水材料(90°)。发现新解理石墨在空气中放置时,石墨润湿性有从亲水性向疏水性过渡的现象,润湿性变化的原因是吸附了空气中的水和碳氢化合物。系统研究了等离子体处理、紫外灯照射改变石墨表面的短时和长期润湿性的影响规律,表面改性处理可以减缓石墨在空气中由亲水向疏水变化的速率。石墨表面经过等离子体与紫外处理后,表面会产生许多缺陷与活性位点,容易在空气中发生反应生成许多含氧基团。这些样品表面的缺陷与晶界处的极性的含氧基团会加快表面水的吸附,而水分的积累也会直接或间接地增加表面污染物的吸附。最终,是水分与碳氢化合物的相互作用使表面变得更为疏水。在控制湿度的条件下,应用AFM胶体探针技术,测量表面微区粘附力并与宏观润湿性表征结果相联系。实验证明,湿度对接触角影响不大,而对于微观粘附力有巨大影响。在相对湿度大于30%的情况下,范德华力可以忽略,毛细力为影响表面润湿性的主导因素。从微观角度证明了新制石墨本征亲水,而在空气中放置会变得疏水的现象。实验结果支持了石墨烯表面“部分润湿透明性”的理论。
【图文】：

静态接触,疏水表面,亲水表面,接触角

[29]（如图 1-1）。图1-1 表面张力与接触角图示：(a)疏水表面，θ为静态接触角（θ>90°）；(b)亲水表面，θ为静态接触角(θ<90°)。杨氏接触角是唯一的，是光滑、刚性、化学均质、各向同性且无化学反应的

后退角,前进角,收缩扩张,垂直平面

[31]，而这两个接触角称为动态接触角，测量方式如图1-2。图1-2 前进角与后退角图示：(a)水滴在一个垂直平面上，θA为前进角，θR为后退角；(b)水平液滴收缩扩张法获得后退角与前进角[32]。θA为前进接触角，定义为液固界面取代气固界面后形成的接触角；θR为后退接触角，为固界面取代液固界面后形成的接触角。一般地，前进角会大于后退角，而前进角与后退角的差值 Δθ，定义为接触角滞后[33]。在工业生产过程中，接触角滞后扮演着重要的角色，如玻璃上水滴的下落，，窗帘和线缆涂层技术等，都与接触滞后相关[34]。一般地
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11

【参考文献】