化学刻蚀及溶胶—凝胶法制备具有纳米—微米混合结构的超疏水表面

发布时间：2019-11-09 01:04

【摘要】：近几年来,与水的接触角大于150°的超疏水表面引起了人们极大的关注,因为它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等领域中有着极其重要的应用前景。探索成本低廉、过程可控的超疏水表面的制备方法是近期研究的主要目标之一。本文使用化学刻蚀这种简单的技术,并通过低表面自由能物质修饰,成功地在铜片和铝片基体上获得了超疏水表面。这里改进了传统的化学刻蚀法,在刻蚀剂中引入了表面活性剂,改变了单一刻蚀剂在固体表面的反应机制。本文还采用溶胶-凝胶法制备出玻璃基超疏水表面。相对于传统的铝溶胶制备方法而言,我们摒弃了价格昂贵且易燃有毒的金属醇盐,而是选择了价格低廉易得的无机盐硝酸铝作为原料。该制备方法环保低碳,更有利于超疏水表面的工业化制备。采用含有十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的HNO3溶液刻蚀铜片,在其表面上得到了微米级球形刻蚀坑与纳米球共存的双层粗糙结构,该表面经氟硅烷处理后表现出超疏水性,与水滴的静态接触角达到155±2.3°。考察了不同刻蚀条件对表面疏水性的影响,结果表明,表面活性剂CTAB以及超声波对表面粗糙结构的形成及铜片表面疏水性均产生了十分重要的影响。用XPS表征该表面,结果表明成功的在铜片表面上修饰了氟硅烷。本文从理论上对在超声条件下含有CTAB的HNO3溶液的刻蚀机理进行了研究,提出了气泡辅助刻蚀机理的概念,对超疏水表面的理论研究及工业化制备都具有一定的参考价值。采用SDBS/HCl刻蚀铝片表面,在铝片表面上得到了刻蚀坑与阶梯状结构共存的复合模式,表面经过氟硅烷修饰后表现出超疏水性。在SDBS/HCl刻蚀机理的研究中,本文在位错刻蚀机理的基础上,分析了加入表面活性剂对刻蚀过程和疏水性的影响。通过测定不同pH水滴在铝基表面的静态接触角,表明所得到的铝基超疏水表面具有良好的耐腐蚀性能；通过测定该表面在不同放置时间下的接触角变化,证明该超疏水表面具有良好的稳定性。采用溶胶-凝胶法,在玻璃基表面制备出松针状结构分布的涂层,表面经过氟硅烷化处理后得到了玻璃基超疏水表面。该表面无论在150℃下加热24 h还是暴露在空气中一个月,都表现出了良好的超疏水特性。通过测定不同pH水滴在其表面的静态接触角,表明所得到的玻璃基超疏水表面具有良好的耐腐蚀性能。
【图文】：

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图1一1荷叶表面的自清洁现象Fig.l一1Self-eleaningPhenomenononthelotusIeafsurfaee水表面是指接触角小于900的固体表面;疏水表面是指接触角大于触角大于150“且滚动角小于5“的固体表面被称为超疏水表面，可见，，于疏水表面的一种。自然界中，水滴可以在荷叶表面自由滚动，且当附着在荷叶表面的灰尘等污物带走，使荷叶表面保持清洁(图l一1)。代，针对荷叶表面自清洁现象，德国伯恩大学的植物学家wilhelmB一系列实验，由此提出了“荷叶效应”(lotuseffect)概念。此后，家们开始致力于超疏水表面的理论及制备方法研究。疏水表面在人们的日常生活及工农业生产中具有极其重要的应用前景管道中，降低管道内壁石油的粘附作用减小传质阻力;应用于高降雪上，减少积雪附着保证信号畅通;应用于汽车飞机等的挡风玻璃，可境及雨天中保持干燥，还可减少空气中灰尘等污物的污染;应用于水

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界还是人工材料中，光滑表面从未表现出超疏水性能。NishinoI4I等对光滑的固体表面采用最低表面自由能的全氟烷来修饰，得到的表面接触角最大也只有1190。对荷叶自清洁表面的研究结果表明(图1一2)，荷叶表面具有许多乳头状凸起，乳头状凸起又被许多纳米尺度的蜡质晶体所覆盖12， 31。正是这种粗糙结构以及表面疏水物质的共同作用导致荷叶表面具有超疏水性能。可见，固体表面的浸润性是由固体表面的化学组成和微观几何结构共同决定的151。因此，制备超疏水表面需从两方面入手:一方面，在材料表面构建合适的粗糙结构;另一方面，用低表面自由能的物质修饰材料表面。目前，制备超疏水固体表面粗糙结构的方法有很多报导:如机械加工法、模板法、激光或等离子体刻蚀法、电化学方法、物理或化学气相沉积法、溶胶一凝胶法等。然而
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB383.1

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