SiO2基超滑表面的构筑及其性能研究

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超疏水纳米涂层已被广泛应用于自清洁、防雾/防冰、抗污染、抗腐蚀领域。但超疏水表面存在很多不足,例如仅对具有高表面张力的液滴具有排斥性、机械稳定性较差、透明度较低、压力稳定性差和由于不可逆的Cassie状态向Wenzel状态转换导致表面只具有短期水下稳定性等。为了克服传统超疏水表面的上述不足,人们提出了超滑液体灌注多孔表面的概念即超滑表面(slippery liquid-infused surfaces,SLIPS)。SLIPS借助多孔基底的毛细管作用匹配疏水润滑剂的表面能,在基底表面形成稳定的光滑液体油膜。超滑表面具有固体基质的机械稳定性、液体的连续性、润滑剂界面的分子平滑性等优点。但是在实际应用中,超滑表面会受到环境剪切应力的影响(如空气流动、外来流体等),这些剪切力削弱了毛细管作用力,导致润滑液快速流失,这不仅降低了SLIPS的稳定性,还会使其全疏性能失效。因此,如何长效留锁润滑液是延长SLIPS应用时效的关键因素。本文研究了底层多孔固体的长度、尺度及粗糙度对长效留锁润滑液的影响,基于使用表面分层结构提升毛细管作用的效果来增加润滑液储存量的方法,引入了简单和可扩展的微米和纳米级粗糙化方法来构筑储存性超滑表面。通过结合溶胶-凝胶和水热法,在铝基底上生长片状和棒状Zn O,构筑了双层Zn O超滑表面,该表面的自腐蚀电流密度7.49×10-7A/cm2,比未处理的铝合金基底降低了3个数量级;在3.5%Na Cl溶液中浸泡三个月后,低频阻抗模值(|Z|0.01Hz)约为1.5×105Ω·cm2,依旧比空白样品高出1个数量级。实验结果表明该结构能够存储润滑液并使表面具有良好的防污效果和自清洁作用,果汁和果酱等复杂液体能够在<5°的倾斜角度下滑落。为进一步提升多级结构的储油能力,利用Co3O4易于生长成线的优势,在铝合金上合成Zn O/Co3O4/SiO2更加复杂的多级结构。该结构与双层Zn O的相比,进一步将自腐蚀电流密度降低了1-2个数量级,在相同浸泡时期,|Z|0.01Hz约为1.78×106Ω·cm2。实验结果表明即使在8000 rpm/min的高剪切测试条件下乙醇滑动角始终小于5°,仍然能够保持优异的驱避性能。为了克服水热制备的样品机械稳定性差的缺点,采用喷涂法构筑坚固的SLIPS并研究了不同表面形态(表面光滑的SiO2微球、表面褶皱的SiO2微球、杨梅状空心SiO2微球和海胆状Cu SiO3空心微球)的基底对相应的非润湿表面的相关性能的影响。实验结果表明,具有海胆状结构的超滑表面在8000rpm/min的高剪切条件下的接触角滞后始终小于4°,显示出最优的拒液性、抗剪切性和耐腐蚀性。其自腐蚀电流密度在8.05×10-10A/cm2左右,在浸泡过程中显示出最优的稳定性。其原因在于海胆状Cu SiO3空心球的内部也存在润滑液,且球壳由纳米管组成,具有叠加毛细作用的效果以储存更多的润滑液。为设计长效稳健的超滑液体注入表面提供了新的思路。利用静电纺丝模板法构筑了表面褶皱多孔管状SiO2,将有利的空心多级结构进行扩大化,进一步增加了润滑液的储存量,成功合成了一种新型超滑表面,该表面浸泡初期的|Z|0.01Hz约为自腐蚀电流密度为1.01×10-10A/cm2,比超疏水表面低2个数量级,比未处理的铝合金基底低5个数量级。在3.5wt%Na Cl溶液中浸泡三个月后,低频阻抗|Z|0.01Hz约为5.43×106Ω·cm2,比空白铝合金样品高2个数量级。该超滑表面同时具有自修复、自清洁和防覆冰等性能。将多孔管状SiO2结构拓展到透明基底中,构筑了透过率为90.8%的机械性能稳定的超滑表面。该表面润滑液流失率为0.08%/天,同时具有高度疏液性质和优异的防冰性能。在24次结冰/除冰循环测试期间,冰粘附强度约为17k Pa,是空白玻璃样品的1/52。结冰温度从-5℃下降至-24℃。空白玻璃上的过冷液滴凝结时间为84秒,而在超滑表面上的结冰时间延长至2352秒,结冰延迟时间增加了27倍。所构筑的表面同时具有自修复、自清洁等优点。
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