几种稀土氧化物微纳结构超疏水表面的制备及其性能研究

摘要

固体表面的润湿性是其重要的固有性质之一，而具有超疏水性的金属表面材料因其具有良好的表面疏水性及自清洁性等特点而拥有很大的应用潜力，并已在金属防腐蚀、微流体控制及油水分离等方面取得了富有成效的应有。研究表明，固体表面的润湿性主要取决于其表面的化学组成及表面粗糙度，故可以通过人为地对表面化学组成及表面粗糙度的控制而达到可控调控固体表面湿润性的目的。一般来说，有两种制备超疏水表面的思路:一种思路是在本就具有低表面能的表面上构筑微纳粗糙结构；另一种思路是用低表面能物质修饰本就具有一定粗糙微纳结构的表面。基于此思路，涌现出许多制备超疏水表面的方法，如溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、等离子蚀刻法、电化学法和水热法等。在本研究中，主要采取水热合成法，成功的以较为简易的手段在铝金属表面原位合成了数种具有不同形貌的稀土氧化物微纳结构超疏水表面，主要研究工作及研究结论如下:
　　(1)采用水热法，在铝片表面原位合成了数种氧化铈微纳粗糙结构，通过改变添加剂成分及水热温度，可以可控的制备具有不同形貌的氧化铈微纳结构，这些表面经PFAS表面改性后，均表现出了良好的疏水性，接触角最高达159.4°。同时，对其中一种氧化铈纳米纤维簇堆叠微纳结构表面进行了深入探究，研究了添加剂含量及水热温度对表面形貌的影响，从阳离子表面活性剂CTAB对纳米粒子生长的影响角度提出了此氧化铈纳米纤维簇可能的生长机理。
　　(2)在铝金属片表面原位水热合成氧化铒微纳结构，在添加剂成分固定的情况下，通过改变添加剂用量及水热温度，成功的在金属铝基底表面构筑了三种不同的仿生氧化铒微纳结构表面，经PFAS表面改性后，表面表现出了良好的超疏水性，接触角最高达160.2°。同时，探讨了添加剂CTAB的浓度及水热温度等实验条件对制得氧化铒微纳结构形貌的影响，并综合考虑CTAB及水热温度的纳米生长造成的影响，提出了氧化铒微纳结构可能的生长机理。将样品浸泡在3.5wt％的氯化钠溶液中测试其耐腐蚀性，经过15天的浸泡后，样品表面没有出现宏观及微观缺陷，且水接触角无明显下降，说明此超疏水表面具有良好的耐腐蚀性。
　　(3)在不添加任何表面活性剂、模版剂及沉淀剂的情况下，仅以硝酸镧水溶液为水热生长溶液，通过较为简单的水热法在金属铝表面构筑了氧化镧微纳粗糙结构。详细探讨了合成液中硝酸镧的浓度及水热温度对表面形貌的影响，并综合考虑此两项因素，给出了硝酸镧浓度及水热温度影响制得表面氧化镧微纳结构形貌的原因。此具有氧化镧微纳粗糙结构的表面经PFAS改性后，均表现出良好的超疏水性，接触角最高达160°。将样品浸泡在具有一定pH梯度的溶液中测试超疏水表面的耐酸碱性，样品经过具有不同pH值的溶液浸泡3小时后，其表面的接触角均无明显下降，说明此超疏水表明具有良好的耐酸碱性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 固体表面润湿性理论

1．2．1 Young氏方程

1．2．2 Wenzel模型

1．2．3 Cassie模型

1．2．4 Wenzel模型与Cassie模型的联系与相互转换

1．3 超疏水表面的制备方法

1．3．1 蚀刻法

1．3．2 化学气相沉积法

1．3．3 溶胶凝胶法

1．3．4 电化学沉积法

1．3．5 水热法

1．4 金属超疏水表面的应用

1．4．1 金属防腐蚀

1．4．2 油水分离

1．4．3 微流体控制系统

1．5 本论文的主要研究内容及创新点

第二章 几种不同氧化铈微纳结构疏水表面的制备与表征

2．1 实验试剂与实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 几种氧化铈微纳粗糙结构的原位水热制备

2．2．2 全氟硅烷(PFAS)的二次修饰

2．2．3 样品表征

2．3 实验结果及讨论

2．3．1 样品表面XRD表征及分析

2．3．2 样品表面EDS表征及分析

2．3．3 样品表面形貌的表征与分析

2．3．4 表面疏水改性及润湿性测试

2．4 本章小结

第三章 氧化铒仿生微纳结构疏水表面的制备及性能研究

3．1 实验试剂与实验仪器

3．2 实验方法

3．2．1 氧化铒仿生微纳结构的水热原位制备

3．2．2 全氟硅烷(PFAS)的二次修饰

3．2．3 样品表征

3．2．4 样品在盐溶液中的耐腐蚀性测试

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 表面微纳结构形貌的表征与分析

3．3．2 样品表面EDS分析

3．3．3 样品表面XRD分析

3．3．4 表面疏水改性及润湿性测试与分析

3．3．5 氧化铒仿生微纳结构超疏水表面制备机理的探讨

3．3．6 样品抗盐溶液腐蚀性能测试与分析

3．4 本章小结

第四章 氧化镧微纳结构疏水表面的简易制备及性能研究

4．1 实验试剂与实验仪器

4．2 实验方法

4．2．1 氧化镧微纳粗糙结构的水热原位制备

4．2．2 表面疏水改性

4．2．3 样品表征

4．2．4 耐酸碱性能测试

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 样品表面形貌的表征与分析

4．3．2 样品表面XRD表征分析

4．3．3 样品表面EDS表征及分析

4．3．4 样品表面疏水改性及润湿性分析

4．3．5 超疏水表面样品的耐酸碱性能测试与分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要研究结论

5．2 本论文存在的不足与展望

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录

致谢