不锈钢超疏水性表面的制备及性能研究

发布时间：2019-07-18 13:06

【摘要】：具有超疏水性能的不锈钢材料在现实工业中有极广泛的应用性能,超疏水表面不但具有较好的疏水性,而且其在防腐蚀、抗结冰和自清洁等方面也有较大的应用价值,目前研究制备稳定有效的不锈钢超疏水表面仍是一项挑战。构筑不锈钢超疏水表面必须同时满足两方面的要求:1、表面具有微/纳米复合形貌,这是构筑超疏水表面的基础;2、在具有复合形貌的基体表面修饰有机疏水基团。目前制备超疏水表面常用的方法有水热法、化学腐蚀法、电化学腐蚀等,但这些方法都对基材有一定的要求且都有一定的破坏性。针对以上情况,本文试验研究了一种高效且应用广泛的不锈钢超疏水表面的制备方法。论文首先对硅烷偶联剂KH550进行了水解探究,再用制备而成的硅烷偶联剂KH550 水解液对纳米二氧化硅进行氨基化改性。将氨基化改性后的纳米二氧化硅均匀分散在稀释后的水性丙烯酸涂料中,在不锈钢基体表面进行涂覆后,基体表面形成微纳米级结构,然后进行硬脂酸的自组装反应,在基体表面修饰疏水长链,超疏水性不锈钢表面得以形成。通过正交实验结果表明:改性纳米二氧化硅添加量为1.2%,硬脂酸乙醇溶液浓度为10%,自组装反应时间为3h时,基体表面接触角可达到152.8°,制备而成的超疏水表面的疏水效果最好。实验进一步探究了纳米粒子添加量、自组装时间、硬脂酸溶液浓度等单因素对表面接触角的影响机理,发现三个因素都是通过改变不锈钢基体的表面形貌对接触角起到影响。对制备的超疏水不锈钢表面测试结果表明:材料表面的表面自由能降低了87.34%,滚动角为10°,具有较好的自清洁能力。除此之外,在一定温度范围内,超疏水不锈钢表面比空白表面抗结冰时间提高了近65倍。利用电化学工作站对超疏水表面的抗腐蚀性能测试结果表明:超疏水表面比空白表面的电极阻力有了较为明显的增加,表明超疏水表面的防腐蚀性能增加显著。
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图１．２水黾外表皮层形貌扫描电镜图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｓｔｒｉｄｅｒ逡逑［１８￣］，

图片说明：逡逑瞧逡逑图１．１水滴在荷叶表面的状态及其表面微观扫描电镜图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｄｒｏｐｌｅｔ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋Ｌｏｔｕｓ邋ｌｅａｆ邋ａｎｄ邋Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｌｏｔｕｓ邋ｌｅａｆ邋ｓｕｒｆａｃｅ．逡逑超疏水功能也经常出现在一些动物的外表皮层上面［１４＿１７］，比如生活中常见逡逑的蜻蜓和蝉的翅翼表面，或者夏季常见的水生昆虫水黾，如图１．２所示。它们逡逑可以在静止的湖面和池塘上驻足、睡眠，甚至可以快速滑行，而滑行过程中并逡逑不会沾湿自己的脚。逡逑ｒ邋ＩQi媝灥＿逡逑图１．２水黾外表皮层形貌扫描电镜图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｓｔｒｉｄｅｒ逡逑江雷课题组［１８￣］对其进行了深入的研宄，发现这些动物的外表皮层都有针状的逡逑２逡逑
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图片说明：通常情况下，将一滴水滴在水平放置的洁净表面上，其固液两相的润湿程逡逑度可以用接触角来表示。在固气液三相接触线上做气液界面切线，该切线与固逡逑液界面的夹角被称为接触角，接触角用ｅ表示（如图１．３所示）。ｙｃｊＳ、Ｕｓ、＂Ｙｃｌ逡逑分别是气固、液固、气液三个界面上的界面张力，当上述三个力处于平衡状态逡逑时，液滴保持一定形状，在水平方向上力的矢量之和为零。逡逑Ｔｉｖ邋＼逡逑气体．逡逑霄逦Ｔｓｖ逡逑％逦固体逡逑图１．３接触角示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍｔｉｃ邋ｏｆ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ逡逑当ｅ＞９0°时，表面整体上呈现不润湿状态，当ｅ＜９0°时，表面呈现可润湿状态。逡逑除此之外还存在两种特殊情况：１、当ｅ＝ｏ°时，表面呈现完全润湿状态，这时逡逑的表面张力最大；２、当ｅ＞１５０°时，，界面呈现超疏水性。但按照杨氏方程推论，逡逑接触角是由固体、气体、液体的表面张力共同决定的，当固液材料的性质不变逡逑３逡逑
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG178

【参考文献】