超疏水功能界面的制備及應(yīng)用.pdf

1、超疏水界面功能材料是一種具有特殊浸潤性的材料。對于超疏水材料，水滴呈現(xiàn)良好的球形幾何形貌而無法潤濕其表面。其中，在某些超疏水界面，水滴在不浸潤表面的同時，還可以自由的滾動，并能夠帶走表面的灰塵等固體雜質(zhì)，達(dá)到自清潔的效果，這種效應(yīng)稱為荷葉效應(yīng)。超疏水材料特殊的浸潤性使其在抗腐蝕、防霧、油水分離、自清潔等很多方面有著較強(qiáng)的應(yīng)用價值。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大自然中存在著大量具有超疏水性能的生物體結(jié)構(gòu)，除了荷葉，還有水稻葉，西瓜葉，蝴蝶翅膀，蒼蠅的復(fù)眼

2、，水黽的腿部，壁虎的腳，鳥類的羽毛等。通過對這些生物體界面的微觀觀察和表面分析，研究人員找到了形成這類界面所必須具備的因素，其一，一定的微觀幾何形貌形成較高的表面粗糙度;其二，較低的表面自由能。本研究圍繞疏水表面的構(gòu)建和相關(guān)浸潤性的研究開展了一系列的工作，主要內(nèi)容包括:利用納米壓印法制備仿生竹葉疏水表面，利用濕化學(xué)法在銅、鋅及其合金基底上制備穩(wěn)定的超疏水氧化銅、氧化鋅等界面。用溶膠凝膠、自組裝、噴劑噴涂等方法合成超疏水二氧化硅、氧化鋅、

3、二氧化鈦涂層。探索了均一氧化鋅微納結(jié)構(gòu)的快速生長法。從納米生長角度對納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制進(jìn)行了一系列的探討，從疏水、疏油、油水分離三個角度對界面進(jìn)行浸潤性的實(shí)驗(yàn)和理論分析。本研究主要內(nèi)容包括：
　　第一章對浸潤性的基本概念做了介紹，對自然界中具有代表性的超疏水生物表面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，探討了超疏水材料的潛在應(yīng)用。然后介紹了具有代表性的Wenzel浸潤理論、Cassie-Baxter浸潤理論以及接觸角滯后理論等，對超疏水界面的基本原理做

4、了具體的闡述。同時，對超疏水幾何模型理論研究進(jìn)展做了回顧，包括單尺度模型、多尺度模型、和豬籠草結(jié)構(gòu)的研究等。最后對主要介紹了超疏水功能界面的主要制備方法。
　　第二章利用改進(jìn)納米壓印的方法制備仿生竹葉表面疏水構(gòu)型和硅金字塔反型模板結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的熱壓印法和軟模板法，存在步驟較為繁瑣，壓印時間較長的問題。我們從仿生疏水方面考慮，利用改進(jìn)的納米壓印方法，采用單一溫度一步高溫納米壓印，成功地在硬質(zhì)模板的硅金字塔表面和軟質(zhì)模板的竹葉表面反型出

5、基于PS和PMMA有機(jī)材料的反型模板。同時發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)的成膜方法。然后，通過二次反型納米壓印，制備出類竹葉表面的正模板納米結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)，隨著納米壓印導(dǎo)致的表面構(gòu)型構(gòu)型的轉(zhuǎn)變，表面浸潤性發(fā)生轉(zhuǎn)變，并發(fā)現(xiàn)表面微-納米復(fù)合幾何構(gòu)型可以使親水材料表面變?yōu)槭杷砻?。我們用Wenzel和Cassie-Baxter浸潤理論進(jìn)行了分析。
　　第三章介紹了利用濕化學(xué)反應(yīng)法在金屬銅、鋅及相應(yīng)合金基底上構(gòu)建超疏水結(jié)構(gòu)。首先，利用氧化性極強(qiáng)的安替福明溶液

6、法在銅基底上常溫一步快速氧化生成納米氧化銅微結(jié)構(gòu)。反應(yīng)時間僅為15s時就能生成一維豆芽菜狀納米結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控反應(yīng)液濃度和反應(yīng)時間（20min以內(nèi)），可以調(diào)控微納形貌由一維線向三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和三維分級納米顆粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，對相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了深入分析，提出了毛細(xì)作用原理。經(jīng)過修飾的表面具備了超疏水疏油的浸潤性，表面的浸潤性隨著表面形貌發(fā)生有規(guī)律的變化。相應(yīng)的超疏水薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性。同樣的方法用到銅合金上亦取得了良好的超疏水浸潤效果。然后

7、，受荷葉分級結(jié)構(gòu)對其超疏水性能的直接影響的啟發(fā)，我們利用化學(xué)酸刻蝕和溫水直接水浴相結(jié)合的方法（水浴時未引入任何化學(xué)試劑）在鋅片表面合成了具有明顯微-納米分級的氧化鋅表面，研究了水浴溫度和時間對表面形貌的影響，提出了生長機(jī)制。并對低表面能修飾后的表面進(jìn)行了疏水、疏油、油水分離三方面的浸潤性分析，用Wenzel和Cassie-Baxter理論進(jìn)行了解釋。同時，該超疏水薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性。我們提出的兩種超疏水化途徑有益于快速獲

8、得規(guī)?；膭蛸|(zhì)超疏水表面，對其方法改進(jìn)后，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。
　　第四章采用溶膠凝膠法、自組裝法和噴涂法分別制備了二氧化硅透明疏水薄膜、氧化鋅疏水涂層及二氧化鈦噴涂超疏水薄膜。并對其表面浸潤性分別進(jìn)行了理論分析。首先，用不同的溶膠凝膠方法合成了表面形貌可調(diào)控的二氧化硅薄膜，揭示了二氧化硅薄膜表面形貌與浸潤性的直接影響。其中，對比了凸起結(jié)構(gòu)和凹槽結(jié)構(gòu)對浸潤性的影響。同時，實(shí)驗(yàn)中首次合成了具有超疏水性能的傾斜二氧化硅納米棒陣列。然后

9、，用一步水熱法和籽晶輔助生長法合成了球形分級和紡錘體分級氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了不同氧化鋅納米形貌和自組裝方法分別導(dǎo)致了不同的表面浸潤效應(yīng)，即荷葉效應(yīng)和玫瑰花瓣效應(yīng)，同時發(fā)現(xiàn)涂層與襯底間存在的協(xié)同效應(yīng)也影響著涂層的浸潤性。最后，為了更為直接的在不同基底上快速生成超疏水薄膜，我們研發(fā)了一種超疏水噴劑組合及其噴涂方法，成功地在幾種不同的基底上噴涂，獲得了具有超疏水性能的涂層。我們分析了噴涂條件與微觀顆粒形貌的直接關(guān)系，并通過調(diào)節(jié)藥品的組成和噴

10、涂的方法，對噴涂涂層的疏水效果進(jìn)行了調(diào)控和改進(jìn)。
　　第五章介紹了具有均勻微納復(fù)合形貌的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的制備與超浸潤方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的液相合成通?；阡\鹽前驅(qū)液與弱堿前驅(qū)液在化學(xué)浴或水熱條件下的反應(yīng)，雖然產(chǎn)物的結(jié)晶性較好，但同時且具有反應(yīng)時間較長，溫度較高等限制。這也為其在疏水方面的應(yīng)用受到了限制。通過對氧化鋅的結(jié)晶特點(diǎn)及生長特性的研究，提出了一種基于飽和溶液稀釋劑的熱反應(yīng)法。首先以商業(yè)氧化鋅和氫氧化鈉為反應(yīng)物合成亞

11、穩(wěn)定的飽和強(qiáng)堿前驅(qū)液，用水進(jìn)行稀釋后的溶液傾向于在低溫加熱條件下快速水解。通過調(diào)控反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和稀釋倍數(shù)，能夠在溶液中或插入溶液的襯底上快速生長出不同的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)。通過表征，發(fā)現(xiàn)其結(jié)晶性能良好。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，不需要任何其他試劑或添加劑的引入，通過外界實(shí)驗(yàn)條件即可控制氧化鋅的生長。對氧化鋅的生長機(jī)制進(jìn)行了深入研究，為氧化鋅的多種微觀結(jié)構(gòu)的合成提供了理論指導(dǎo)。用此方法在不同基底上進(jìn)行了氧化鋅一維納米釘陣列的生長，通過低表面能修