特殊浸润性表面的构建及其自修复性能研究

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表面浸润性是固体材料的重要表面特性之一,是一种广泛存在于自然界的表界面现象。衡量表面浸润性最基本的物理参数是液体在固体表面上的接触角,通常认为接触角小于10o时,液体完全浸润固体表面,此类固体表面为超亲液表面,接触角大于150o时,液体很难浸润固体表面,此类固体表面为超疏液表面。因此,表面的特殊浸润性主要体现在表面对液体的极端润湿或极端排斥作用。基于自然界荷叶、水黾腿、蝴蝶翅膀以及蚊子复眼等浸润性表面的启示,仿生构建特殊浸润性表面成为了近年来表界面领域的一个重要研究方向。虽然仿生特殊浸润性表面在自清洁、防污、减阻、防雾、防覆冰、耐腐蚀、油水分离等领域有着广泛的应用前景。但是,大部分人工特殊浸润性表面的构建过程比较复杂,而且,其表面微结构和低表面能化学物质的稳定性差,寿命短,受到外力作用时很容易失去其特殊浸润性,这限制了特殊浸润性材料的制备和应用。因此,建立简便易行的构建特殊浸润性表面的方法,提高特殊浸润性表面的耐用性是特殊浸润性材料实用化的迫切需求,也是表界面领域亟待解决的重要问题。针对上述亟待解决的科学问题,本论文以建立简便易行的仿生特殊浸润性表面的构建方法和实现表面特殊浸润性的自修复为目的,开展了仿生超疏水表面及超双疏表面的设计、制备、表征与应用的系统研究工作,研究了特殊浸润性表面与其表面微结构和表面化学的内在关系,并研究了温度作用、机械力作用、近红外光作用下表面特殊浸润性的自修复能力。其主要研究内容和研究结果如下:1.基于席夫碱反应,利用界面聚合法获得了仿生聚多巴胺@十八胺(Polydopamine@Octadecylamine,PDA@ODA)纳米胶囊。并利用原位沉积法将PDA@ODA纳米胶囊修饰于织物表面获得了自修复疏水性织物。研究发现,PDA@ODA纳米胶囊的球形结构与其表面烷基链的低表面能化学特性协同作用,赋予织物表面微纳双级结构和低表面自由能,实现了织物表面的疏水性能。外力作用下疏水性丧失后,温度作用可以使PDA胶囊封装的ODA熔化并释放迁移至PDA胶囊表面,降低表面的自由能,实现织物表面疏水性能的自修复。基于温度作用下织物表面疏水性的自修复能力以及PDA@ODA纳米胶囊在织物表面的强粘附性,可以赋予疏水性织物良好的耐洗涤和耐磨损能力,从而提高了疏水性织物的耐用性。在自清洁应用中,PDA@ODA纳米胶囊修饰的疏水性织物对液体和固体污染物均具有良好的防污和自清洁能力。2.利用原位沉积法将PDA@ODA纳米胶囊和聚多巴胺@十八硫醇(Polydopamine@Octadecanethiol,PDA@ODT)纳米胶囊分别修饰于不同织物表面获得了自修复超疏水织物。研究发现,PDA@ODA或PDA@ODT纳米胶囊的球形结构与其表面烷基链的低表面能化学特性协同作用,赋予织物表面微纳双级结构和低表面自由能,实现了织物表面的超疏水性能。外力作用下超疏水性能丧失后,机械力(拉伸、挤压、摩擦)作用可以促使PDA胶囊封装的ODA或ODT有效释放,并使其成功迁移至PDA胶囊表面而降低织物的表面自由能,实现织物表面超疏水性能的自修复。机械力及日常机械洗涤作用可以成功应用于超疏水表面的自修复过程。3.利用原位沉积法将PDA@ODA-Fe3O4纳米胶囊修饰于织物表面获得了自修复超疏水织物。研究发现,PDA@ODA-Fe3O4纳米胶囊的球形结构和PDA胶囊表面烷基链的低表面能化学特性协同作用,赋予织物表面微纳双级结构和低表面能特性,实现了织物表面的超疏水性能。基于近红外光和Fe3O4纳米颗粒之间的光热效应,近红外光作用可以使PDA胶囊内部产生光热作用而促使封装的低表面能物质快速释放并迁移至织物表面,从而在40 s之内就可以极为快速的修复其超疏水性能。另外,基于光热效应作用的快速自修复功能,织物表面可以实现特殊浸润性的可控自修复,从而获得具有梯度化浸润性和图案化浸润性的表面。4.利用原位沉积法将聚多巴胺@氟硅烷-全氟癸醇(polydopamine@1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane-1H,1H,2H,2H-perfluoro-1-decanol,PDA@FAS-PFOL)纳米胶囊修饰于织物表面,获得了自修复超双疏织物。研究发现,PDA@FAS-PFOL纳米胶囊沉积形成的葫芦状凹角微纳双级结构结合全氟类低表面能物质可以实现织物表面的超双疏性能。外力作用下超双疏性能丧失后,温度作用可以使PDA胶囊封装的PFOL分子释放至PDA胶囊表面,降低织物表面自由能,实现织物表面超双疏性能的自修复。基于PDA@FAS-PFOL纳米胶囊修饰织物的自修复功能及其耐磨损、耐洗涤、耐酸腐蚀性能,提高了超双疏织物表面的耐用性。PDA@FAS-PFOL纳米胶囊修饰的织物具有良好的防水防油功能,可以对水和油密封防漏,具有潜在的工程应用前景。
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