几种超疏水/超双疏表面的制备及其性能研究

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自然界中有多种超疏水的动植物表面,例如出淤泥而不染的荷叶,在潮湿环境下不会被雾气润湿的蚊子的复眼,能在水面上轻松行走的水黾的腿,不会被水打湿的蝴蝶的翅膀等等。由于其表面具有超疏水特性,这些动植物才能够在相应的环境中更好地生存,这激发了科学研究者浓厚的研究兴趣。科学研究者对自然界中超疏水表面的结构和化学组成做出了大量研究,发现这些超疏水表面均具有微/纳米级别的粗糙度和低的表面能,并仿生自然界中的超疏水表面,通过在不同的材料表面构造合适的粗糙度和引入低表面能的物质,制备出了多种超疏水的材料表面。作为材料表界面科学最重要的组成部分之一,超疏水表面具有防水防污,自清洁,抗腐蚀等优异性能,研究超疏水表面对相关基础理论研究和人们的生活有着重要意义。随着理论研究和科研实践的不断发展和进步,超疏水表面的制备方法越来越多。然而,仅仅赋予材料表面超疏水性还不足以满足实际生活的需求,例如,在赋予玻璃或纸表面超疏水性时,通常会改变基底原有的面貌,从而给这些特殊基底带来诸多的负面影响,这就需要在赋予基底超疏水性的同时赋予基底其它新的性能。要想保留基底的原有面貌,需要制备透明的超疏水涂层;要想超疏水表面在防水的同时能防油污,需要研究超双疏表面的制备等等。目前,对具有其它特殊性能的超疏水表面的研究还处于起步阶段,并且已有的大多数制备方法存在耗时、复杂、成本高等缺点。在已有的研究基础之上,本论文中,用三种简单的方法制备出了三种具有其它特殊性能的超疏水表面,并对其表面形貌和成分特征及其各种性能进行了深入讨论:(1)以脱脂棉为原料,通过脱脂棉纤维素的溶胀/溶解、析出,然后掺杂制备的彩色硬脂酸盐等步骤制备出了超疏水的纸。得到的超疏水纸呈现出与掺杂的硬脂酸盐相似的颜色并且表现出内外均一的超疏水性。通过SEM、XPS、FTIR对彩色超疏水纸的表面形貌和化学组成进行了表征。以黄色超疏水纸为例,通过摩擦实验对其机械稳定性进行了研究,结果表明所制备的超疏水纸具有很好的内外均一的超疏水性和较好的机械稳定性。此外,通过测试发现其具有良好的防污、自清洁性能。(2)利用正硅酸乙酯的水解,用六甲基二硅胺烷作为修饰剂,同时使用盐酸多巴胺作为胶黏剂,通过简单的一锅法得到了超疏水的聚多巴胺@二氧化硅粉末。通过喷涂分散该超疏水粉末的乙醇溶液可以得到透明的超疏水涂层。利用紫外-可见光谱仪测试了透明超疏水涂层的透光率,发现喷涂了浓度为2 g/L超疏水粉末的玻璃的透光率达到80%。除此之外,还测试了其自清洁、防油污性能,还将喷涂了该涂层的海绵用于油水分离,发现它能够有效地吸走水面或水底的轻油或重油。(3)在铜片基底上,通过简单的氧化过程和置换反应在其表面构造了多重粗糙结构,然后根据配位化学引入了低表面能物质,得到了超双疏的铜片表面。通过SEM、EDS、XPS、XRD对其表面形貌和成分进行了表征。利用接触角测量仪测量了不同液滴在其表面的润湿性,发现超双疏铜表面对水、一定质量分数的乙醇/水混合物、多种油性物质均表现出良好的超疏特性。此外,测试还发现其具有很好的防水、防油污、自清洁、抗腐蚀等性能。所制备的超双疏铜表面对原油运输具有潜在的应用。
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