仿美人蕉叶表面制备（超）疏水材料

摘要

近年来，固体表面的超疏水性研究一直备受瞩目，其应用前景广泛，制备方法众多，而模板法是最易实现工业化生产的一种方法。人们对超疏水材料的研究最先来源于对自然界动植物表面超疏水性的研究，使用超疏水植物为天然制备模板，构筑材料表面类似植物叶表面的微观结构，提高材料表面的粗糙度。所采用的材料本身为低表面能物质，无需使用含氟等化合物进行表面修饰。结合低表面能的界面和天然超疏水材料的粗糙表面，可制备具有类似动植物表皮超疏水效果的材料。
　　本文即以此为课题的研究目的，对美人蕉叶表面的超疏水性进行系统研究。采用扫描电镜观测美人蕉叶表面的微观结构，全反射红外光谱仪检测材料表面的化学组成以及通过接触角测量仪表征美人蕉叶表面的超疏水性。结果表明，美人蕉叶表面是由规则排列的四边形微米凸起结构组成，短边尺寸为30μm～50μm，长边尺寸为60μm～100μm，微米结构表面及微米结构间隙之间密布着平均尺寸约为500 nm的屑状或片状结构，由此构成了美人蕉叶表面的微纳复合结构。美人蕉叶表面外层的化学物质为蜡质层，其主要成分为脂肪族化合物，构成疏水物质。美人蕉叶表面的微纳复合结构以及表面的蜡质层二者共同作用使水滴在其正背面均具有优异的超疏水性，5μl水滴在美人蕉叶表面的静态接触角为160.3°±0.6°，滚动角为6°±2°。
　　再以美人蕉叶为制备超疏水材料的模板，采用二次复型的方法，通过低表面能的聚合物溶液浇筑和热压成型，制备仿美人蕉叶微纳结构的（超）疏水聚合物材料。扫描电镜结果显示二次复型后的聚合物材料表面的微米级凸起结构与美人蕉叶表面的结构一致，纳米结构复型效果最佳的为聚二甲基硅氧烷/聚氯乙烯（一次复型材料为聚二甲基硅氧烷，二次复型材料为聚氯乙烯，简记为PDMS/PVC），其尺寸和形状均与美人蕉叶表面的微观结构保持一致，而聚乙烯醇/聚苯乙烯（PVA/PS）和聚二甲基硅氧烷/低密度聚乙烯（PDMS/LDPE）材料表面的纳米结构直径尺寸仍保持在几百个纳米，部分出现被拉伸现象。由于所采用的聚合物材料为低表面能物质，通过构筑仿美人蕉叶表面的微纳粗糙结构，材料表面的疏水性显著提高，甚至达到超疏水效果。由接触角测量仪测试5μl水滴在二次复型后的PVA/PS、PDMS/LDPE、PDMS/PVC材料表面的静态接触依次为156.8°±1.8°、141.5°±3.6°和160.9°±1.0°，滚动角依次为47°±4°、90°和7°±3°。

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第1章 绪论

1.1超疏水表面的相关理论

1.1.1接触角理论

1.1.2滚动角与接触角滞后

1.2超疏水植物表面的研究进展

1.2.1“荷叶”效应

1.2.2“玫瑰花”效应

1.2.3蜡质层及化学组成

1.2.4微观结构的理论模型

1.3仿生超疏水表面的制备方法

1.3.1刻蚀法

1.3.2电纺法

1.3.3模板法

1.3.4电化学法

1.3.5自组装法

1.3.6溶胶-黏胶法

1.3.7气相沉积法

1.3.8其他方法

1.4课题提出及研究内容

第2章 美人蕉叶表面的超疏水性研究

2.1材料与仪器

2.2实验内容

2.2.1样品选取

2.2.2表面处理

2.2.3性能测试

2.3结果与讨论

2.3.1微观结构分析

2.3.2表面化学组成分析

2.3.3超疏水性分析

2.4本章小结

第3章 仿美人蕉叶表面制备（超）疏水材料

3.1原料与设备

3.2实验部分

3.2.1实验设计

3.2.2制备方法

3.2.3表征方法

3.3结果与讨论

3.3.1表面微观结构分析

3.3.2化学组成分析

3.3.3表面（超）疏水性分析

3.4本章小结

第4章 结论与展望

4.1结论

4.2展望

参考文献

论文发表情况

致谢

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