特殊浸潤性材料的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、特殊浸潤性材料因其特殊的表面特性而在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，也引起了研究者的極大興趣與關(guān)注?；谔厥饨櫺圆牧系膽?yīng)用前景，本文制備了具有干性粘附和自清潔特性的仿壁虎超疏水微圖形，超疏水親油油水分離網(wǎng)膜和表面浸潤性可快速轉(zhuǎn)變油水分離網(wǎng)膜三種不同表面特性和功能特性的特殊浸潤性材料，表征和研究了三種特殊浸潤性材料的表面特性和功能特性，并探索了上述材料的應(yīng)用。本論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)制備了具有干性粘附

2、和自清潔特性的PDMS（聚二甲基硅氧烷，硅橡膠）仿壁虎超疏水微圖形，并對微圖形的粘附性能，浸潤特性和自清潔性能進(jìn)行了表征和研究，研究了微圖形在不同粗糙度和表面能表面上的粘附特性。采用干法刻蝕和模具注塑復(fù)型相結(jié)合的方法成功制備了剛毛結(jié)構(gòu)完整的仿壁虎微圖形，微圖形的力學(xué)研究結(jié)果表明，微圖形的粘附力隨預(yù)載荷的增大而增大，且減少剛毛直徑，增加剛毛密度，增大剛毛長徑比有利于提高微圖形粘附力的提高;粘附表面的粗糙度和表面能影響微圖形的粘附特性，由于

3、“機(jī)械互鎖”和有效作用面積等因素的存在，微圖形的粘附性為與表面粗糙度存在匹配關(guān)系，粘附力在匹配粗糙度存在最大值，隨后隨粗糙度改變而降低;微圖形在高表面能表面能夠表現(xiàn)出更強(qiáng)的粘附力。微圖形的浸潤性研究結(jié)果表面，微圖形表面的剛毛結(jié)構(gòu)能夠提高表面的超疏水性，微圖形表面的浸潤模型滿足Cassie-Baxter模型，降低剛毛直徑和占空比fs有利于提高微圖形的疏水性，其中，微圖形P-8-20-20的水接觸角高達(dá)155.0°，滾動角為7.2°，表現(xiàn)出

4、超疏水性。與壁虎腳掌類似，微圖形表現(xiàn)出了良好的自清潔性能，定量的自清潔測試實(shí)驗(yàn)表明微圖形P-8-20-20的自清潔效率高達(dá)91.3％。
　　(2)以銅網(wǎng)網(wǎng)膜為基底材料，采用肉豆蔻酸乙醇溶液浸泡反應(yīng)的方法成功制備了超疏水親油油水分離網(wǎng)膜，并研究了網(wǎng)膜的油水分離特性。探討了制備工藝參數(shù)和反應(yīng)條件對網(wǎng)膜表面微納結(jié)構(gòu)構(gòu)筑和浸潤性的影響，并制備了水接觸角達(dá)到156.7°，油接觸0°的超疏水親油網(wǎng)膜。X射線能量色散譜儀(EDS)，傅里葉變換紅

5、外光譜(FTIR)和X射線衍射(XRD)結(jié)果證明，網(wǎng)膜表面構(gòu)筑的微納結(jié)構(gòu)化學(xué)成分為Cu[CH3(CH2)12COO]2。網(wǎng)膜表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，分別在pH1.0～13.8的酸或堿溶液以及1MNaCl溶液中浸泡72 h后仍能保持較完整的微納結(jié)構(gòu)和超疏水親油浸潤特性。網(wǎng)膜對水和油的滲透壓強(qiáng)分為3.18 kPa和0kPa，對柴油、正己烷、石油醚和1,2-二氯乙烷油水混合物的油水分離效率高達(dá)98％以上，表現(xiàn)出良好的油水分離特性;經(jīng)過100次的連續(xù)的分

6、離測試后油水分離效率仍保持在97％以上，具有良好的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性。
　　(3)以銅網(wǎng)網(wǎng)膜為基底材料，制備了浸潤性可以在超疏水親油和水下超疏油親水之間快速轉(zhuǎn)變的油水分離網(wǎng)膜，并研究了網(wǎng)膜的油水分離特性。通過堿輔助的化學(xué)氧化的方法將銅網(wǎng)在2.5 M NaOH，0.1 M K2S2O8溶液中室溫條件下氧化反應(yīng)20 min在網(wǎng)膜表面成功構(gòu)筑了CuO納米結(jié)構(gòu)，依次對構(gòu)筑了CuO納米結(jié)構(gòu)的網(wǎng)膜進(jìn)行十八烷酸表面改性和熱氧化退火處理，可以實(shí)現(xiàn)并

7、控制網(wǎng)膜浸潤性在超疏水親油和超疏油親水之間的快速轉(zhuǎn)化。采用0.02 M的十八烷酸處理5 min后網(wǎng)膜表現(xiàn)出超疏水親油特性，水接觸角為161.6°，滲透壓強(qiáng)達(dá)到1.2 kPa以上;繼續(xù)將網(wǎng)膜在330℃條件下退火熱氧化處理3 min，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)膜浸潤性由超疏水親油向水下超疏油親水狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)變，網(wǎng)膜對油的滲透壓強(qiáng)可達(dá)1.0 kPa，整個(gè)轉(zhuǎn)變過程僅需8 min。EDS， FTIR，XRD的結(jié)果證明，在K2S2O8和NaOH溶液中構(gòu)筑的納米線結(jié)

8、構(gòu)為CuO;經(jīng)十八烷酸表面改性后，在CuO納米線表面生成Cu[CH3(CH2)16COO]2;對超疏水親油狀態(tài)的網(wǎng)膜進(jìn)行退火氧化處理，網(wǎng)膜表面的Cu[CH3(CH2)16COO]2發(fā)生氧化分解，表面的CuO結(jié)構(gòu)重新暴露出來，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)膜表面浸潤性由超疏水親油向超疏油親水的轉(zhuǎn)變。兩種浸潤性狀態(tài)下網(wǎng)膜對煤油、正己烷、石油醚和1,2-二氯乙烷的油水混合物的油水分離效率在97％以上，對植物油的油水分離效率在96％以上;水下超疏油親水浸潤狀態(tài)下網(wǎng)