功能性超疏水织物的制备及其应用研究

发布时间：2020-11-01 08:13

　　 随着科学技术的不断发展,具有防水、防污、抗菌及导电等功能的新材料已成为当前研究的一大热点。另外,由于海洋污染问题的日益严重,利用简单高效的方法制备耐用型油水分离材料也受到人们的关注。超疏水表面凭借其优异的抗水性能,在防水抗污、油水分离、融冰及自清洁等领域获得了广泛的应用。目前,在织物表面构造超疏水涂层的方法存在着复杂耗时、制备条件苛刻以及常使用昂贵的含氟化合物等缺点,限制了其在实际生产生活中的应用。本论文通过简单易行的方法在织物表面引入纳米材料以构造粗糙度,然后对粗糙织物表面进行疏水化处理以降低其表面能,制备得到具有功能性的超疏水织物,并将其应用在油水分离、自清洁、抗菌、融冰及传感器等领域。本论文的主要研究内容和结果包括以下三个方面:(1)利用3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)对氧化石墨烯(GO)进行化学接枝制得改性氧化石墨烯(mGO),并以端乙烯基聚二甲基硅氧烷(V-PDMS)为低表面能物质,采用浸涂-紫外固化法处理织物,使附着在织物表面的mGO与V-PDMS发生巯烯反应形成交联结构,制备得到石墨烯基超疏水织物。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和热重分析仪(TGA)测试手段证实了GO的成功改性。借助扫描电镜(SEM)、接触角测量仪(WCA)和原子力显微镜(AFM)研究了mGO与V-PDMS的质量比对织物表面形貌和浸润性的影响。结果表明,随着二者质量比的增加,织物表面的粗糙度显著增加,其接触角先增加后略有降低,当质量比为0.25时,织物的接触角达到157°。此外,石墨烯基超疏水织物还具有优良的热稳定性和化学稳定性,并可成功应用于油水分离领域,展现出高分离效率和良好的循环使用性。(2)利用多巴胺(DPA)的氧化自聚反应对织物进行预处理,采用原位生成法在织物表面生成银粒子以构造粗糙结构,通过正十二硫醇(HS(CH_2)_(11)CH_3)和11-巯基十一烷酸(HS(CH_2)_(10)COOH)的乙醇混合溶液对织物进行疏水化处理,制备得到具有pH响应性的超疏水织物。XPS、SEM和AFM测试证实了聚多巴胺、银粒子和硫醇混合物均成功修饰在织物的表面。随着正十二硫醇在混合硫醇溶液中的摩尔比的提高,织物表面的接触角逐渐增大。当摩尔比为0.7时,所制备的织物在酸性和中性条件下表现为超疏水性,而在碱性条件下则表现为超亲水性。该pH响应性超疏水织物具有独特的双向油水分离能力,油水分离效率高且可循环使用性优良。此外,银颗粒的存在还赋予了织物良好的抗菌功能。(3)将织物首先浸泡在多元醇法合成的银纳米线(AgNWs)溶液中,取出烘干后浸泡在聚二甲基硅氧烷的己烷溶液中,经高温固化后制备得到导电超疏水织物。采用SEM、紫外可见光光谱仪(UV-vis)和X射线衍射仪(XRD)测试证实AgNWs的成功合成,借助SEM和FT-IR证实了AgNWs和聚二甲基硅氧烷均成功地修饰在织物的表面。通过对织物的表面形貌、浸润性和导电性进行研究,发现随着浸泡AgNWs溶液次数的增加,织物表面的粗糙度逐渐增加,其疏水性和导电性均显著增加。导电超疏水织物不仅可应用于油水混合物的高效分离,而且还可应用于融冰和压阻传感领域。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS106;TS195.57
【部分图文】：

料表面一种十分特殊的浸润性能。通常，将与水的静态接°的表面称作超疏水表面[1-3]。在自然界中许多动植物的表其中最具代表性的是荷叶。如图 1-1（a）所示，当水落颗的水珠，在荷叶表面呈现晶莹的球状而不铺展开来。会从荷叶表面滚落，同时将荷叶表面的灰尘和污染物一和清洁。我国宋代诗人周敦颐的著名诗句“出淤泥而不象描述。利用近现代的科学技术手段，对荷叶表面的微 1-1（b）所示，研究学者[4, 5]发现，荷叶的表面分布着大结构是由直径为 5-9 m 的乳突构成，且这些乳突的表4.3 nm 的树叉状纳米结构。同时，荷叶的表面还覆盖有特殊的粗糙形貌和具有低表面能的蜡质层的共同作用，会与小部分突起的顶部相接触，而大部分则会被突起所

华南理工大学硕士学位论文然界中的超疏水现象绝不仅仅只局限于上述众所周知的“荷叶效瑰花瓣[7, 8]、水黾腿[9]、蝴蝶翅膀[10]以及其它的动植物[11-13]的表面类似的结构和化学组成，从而呈现特殊的浸润现象。如图 1-2（a）息相关的水稻，其叶片表面也具有优异的超疏水性能。可以观察到滴会沿着平行于叶片边缘的方向滚动。类似于荷叶表面，水稻叶的的微纳层级结构（如图 1-2（b）），且它的这种粗糙结构是沿着平呈有序排列的，而在其垂直方向上任意排列[11]。

图 1-2 （a）水稻叶的照片；（b）水稻叶的 SEM 图Figure 1-2 (a) Picture of rice leaf; (b) SEM image of rice leaf 1-3（a）所示，在夏天的池塘和一些湿地中，经常可以看到水黾在水面不会使其腿部被沾湿。水黾之所以能够平稳地浮在水面上，如履平地，的微纳层级结构。在高倍显微镜下，如图 1-3（b）所示，研究人员[9]发上存在许多定向排列的具有微米尺寸的刚毛。这些刚毛的直径小于 3 m还存在有大量的螺旋状纳米级沟槽。水黾腿部这种特殊的结构，使得其空气从而形成气膜，将腿部与水面阻隔开，使其不会被沾湿。
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