长效铜基超疏水表面的构建及性能研究

发布时间：2020-05-14 14:57

【摘要】：铜及其合金材料因具有高的导热导电性能和优异的力学性能,在工农业、日常生活和新型产业领域中具有广泛的应用。但是,铜材在使用过程中容易受到所在环境的影响。尤其是在潮湿、高温和某些腐蚀性介质中,铜表面极易被腐蚀使其外观、机械性能和使用性能下降,这使铜材的应用受到了极大的限制。在铜表面构建具有超疏水性能的薄膜,可以有效的降低铜表面的腐蚀速率。然而,目前人工制备的超疏水表面因稳定性和耐久性差的缺点,极大的限制了超疏水表面的研究和进一步发展。因此,制备具有长效性的超疏水表面已经得到了国内外研究人员的极大关注和研究。本研究通过简便环保的水热法制备得到超疏水铜表面。利用接触角测量,SEM观察、XRD、FT-IR和EDS测量分析研究了所制备的超疏水铜表面的润湿性,表面微观结构,相结构和化学结构。并对制备的铜基超疏水表面耐磨性、耐腐蚀性、稳定性和自清洁/防粘附性能及其机理进行了详细探讨,主要工作内容如下:(1)超疏水铜表面的制备:探索通过水热法制备了铜基超疏水表面。考察了S/CTAB毫摩尔比、反应温度、反应时间等工艺条件对铜表面润湿性能的影响,最终确定在S/CTAB毫摩尔比为0.2于160~oC反应6 h的工艺条件下制备得到铜基超疏水表面,其接触角为156.2o滚动角为4o。通过XRD测试、SEM图像和FT-IR分析结果表明:所制备的超疏水铜表面是由大量具有微米和纳米级二元粗糙结构的Cu_2S晶体颗粒组成,其表面接枝了疏水性烷基长链,二者共同赋予铜表面具有超疏水特性。(2)超疏水铜表面的耐磨性和耐腐蚀性能:利用摩擦实验对制备得到的铜基超疏水表面的耐磨性进行测试表征,结果显示:经200 ~oC处理后超疏水表面在磨损距离为500mm后依然表现出良好的疏水性。采用电化学工作站和盐水溶液浸泡的方法对制备的铜基超疏水表面的耐腐蚀性进行了考察,结果表明:与空白铜材相比,超疏水铜的腐蚀电流密度降低了近3个数量级,超疏水铜表面缓蚀率为99.9%。经NaCl溶液浸泡后超疏水表面接触角下降缓慢,表明铜基超疏水表面具有优异的耐腐蚀性能。(3)超疏水铜表面的长效性:将不同水性液滴滴注在超疏水铜表面,液滴均呈球状形态,表明所制备的超疏水铜表面对不同亲水性溶液均具有良好的疏水性即该超疏水表面具有一定的普适性。其次,通过不同pH水滴、UV照射时长和放置一年后表面润湿性的变化表明:超疏水铜表面具有良好的耐酸碱稳定性、耐紫外稳定性和贮存稳定性。(4)超疏水表面自清洁/防粘附性能:通过在超疏水铜表面铺覆粉笔灰、烟灰、泥土等模拟污染物,在水滴的带动下带离超疏水铜表面的效果和超疏水铜浸入粉笔灰分散体后在其表面的粘附情况,三种不同的表征方法对超疏水铜表面自清洁/防粘附性能进行了表征。结果显示:水滴极易带走超疏水铜表面的污染物,超疏水铜表面在粉笔灰分散体中未粘附污染物,说明所制备的超疏水铜表面表现出优异的自清洁/防粘附性能,这种性能是由于所构建的超疏水表面特有的微纳米级结构和低表面能共同作用而赋予的。
【图文】：

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及工业中应用极为广泛，主要应用于电气、建筑、机械制造及交通等多个行业。其中，不仅包括了传统工业，同时，在新兴高科技术产业领域中发挥了关键作用，而且其地位是不可取代的。譬如海洋船舶的关键件、火力发电和卫星上的太阳翼板等(如图1.1所示)。随着社会的进步发展，对铜材优异性能的利用己不再仅仅局限于其导电性能，其优异的机械性能被进一步得以应用。图 1.1 铜材料的应用1.1.2 铜在使用中存在的问题金属材料在使用过程中经常发生腐蚀，如图 1.2 为各种铜材腐蚀性照片。金属腐蚀[2]是指金属材料在外界环境的作用下，发生氧化反应而导致金属物理化学状态改变、性能下降甚至破坏失效的过程。这是日常生活与工业生产中一种重要的破坏因素。铜制品在日常生活和工业生产中大量应用中暴露出最多的问题是腐蚀问题。金属腐蚀是热力学自发不可逆过程，按腐蚀机理不同主要分为电化学腐蚀和化学腐蚀。铜和它的合金干燥的空气中有较好的耐腐蚀能力表现很稳定。但在潮湿的空气或具有一定腐蚀性的溶液里其表面极易生成一层绿色的碱式碳酸铜[Cu2(OH)2CO3]即铜绿。

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图 1.2 各种铜材腐蚀性照片题的措施蚀措施可采用以下途径：合理选用耐腐蚀的合金材料；介剂[4]；金属表面覆盖层[5]等。但是，以上几种防腐方法具有境有污染的缺点。超疏水膜技术是近年来涌现出的新型且低，也是目前防腐蚀技术中一种很好的防腐蚀处理方法。但的长效性和稳定性比较差，，在受到外力摩擦以及油性污染等能极易失效，这极大地限制了超疏水表面的实际应用和研的超疏水表面是超疏水材料实用化的急切需求。表面现象，适者生存。在漫长的进化过程中有些动植物因其具备特殊
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

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