橡胶材料超疏水表面的微纳结构设计与构筑

发布时间：2020-07-21 21:48

【摘要】：超疏水表面具备优异的自清洁、抗污染、防冰雪覆盖等特性,在交通、建筑、医学等领域显示出巨大的应用潜能。但目前存在如下问题:一是制备工艺复杂,生产成本高昂;二是超疏水制品多以金属、塑料等硬质材料为基体,再或者本身为膜结构或涂层,自身强度低、机械稳定性差。因此,开发一种制备工艺简单、柔性、机械稳定性良好的超疏水表面,对于超疏水表面的规模化应用具有重要的意义。本文基于溶胶-凝胶技术,通过在溶胀的硫化橡胶表面原位构筑微纳粗糙结构,制备出柔性、耐久的橡胶基超疏水表面。系统研究了溶胶-凝胶工艺对疏水性及微观形貌的影响,并对超疏水材料的自清洁性和机械稳定性进行了表征分析。首先以正丁胺为溶胀剂,以正硅酸乙酯(TEOS)为溶胶-凝胶反应的前驱体,在硫化天然橡胶(NR)表面原位构筑了SiO_2微纳复合结构,经硬脂酸(SA)修饰后,水接触角(WCA)最高为153.5°。扫描电子显微镜(SEM)显示,试样表面由微纳米级不规则球状SiO_2颗粒密集堆积成为均匀致密的疏水层。其反应的实质是溶胀进橡胶内的TEOS在正丁胺催化下发生水解缩合反应原位生成SiO_2。其次以硫化后的甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)为基材,基于溶胶-凝胶工艺制备出MVQ-SiO_2超疏水表面。试样于正丁胺水溶液中溶胀3 h,再在TEOS中反应2.5 h,SA两步修饰后用异丙醇(IPA)浸泡去除多余SA,其WCA最高达162°。SEM显示试样表面由大量粒径约1μm的SiO_2微球密集排布构成,且每个微米球的表面自组装有密集的“纳米丘”凸起,形成一种类荷叶结构。试样具备优异的排水性、自清洁性和机械稳定性。最后以硫化MVQ为基材,基于溶胶-凝胶工艺制备出MVQ-ZnO超疏水表面。当试样于正丁胺水溶液中溶胀3 h,60℃下Zn(NO_3)_2/乙醇溶液中反应4 h,SA两步修饰后IPA浸泡去除多余SA,其WCA最高达158°。SEM显示试样表面由大量三维微纳米ZnO花状结构组成,其中微米级的ZnO花球由多层纳米片花瓣组成。超疏水表面具备优异的耐磨、耐水流冲击、抗剥离及超声震荡、抗弯曲变形、抗压力、抗介质等性能。这种橡胶基超疏水材料的制备方法简便易操作,且集合了机械稳定性、柔性和无氟的诸多优点,为超疏水材料的规模化应用奠定了理论和实践基础。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ330.1

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本文编号：2764856