纳米颗粒修饰的静电纺SiO2纤维膜的柔韧性和自清洁性能研究

摘要

润湿性是固体表面的一个重要性质，自然界中存在的一些自清洁现象引发了人们对于具有润湿性能材料的关注和研究。润湿性常用液体在固体表面的接触角来表征，通常把与水的接触角大于150°的固体表面，称为超疏水表面，而对于与水和油的接触角都大于150°的表面相应地称之为超双疏表面。而具有自清洁性能的材料在日常生活中有着广泛的应用，例如能源、军事、医疗、服装、通信、建筑、汽车和航运等行业。一般制备自清洁表面的方法可归为两类：一类是在低表面势能材料上构筑粗糙表面；另一类是用低表面势能材料去修饰粗糙表面。
　　 本论文受荷叶效应启示，通过静电纺丝和溶胶凝胶技术，混纺加入有二氧化硅纳米颗粒的聚乙烯醇和正硅酸乙酯溶胶混合溶液得到PVA/SiO2杂化纤维，再通过高温煅烧和氟硅烷(FAS)的表面修饰得到一种具有高柔韧性能和荷叶仿生结构且不可润湿表面的二氧化硅纤维膜。由于在静电纺丝和煅烧过程中所发生的快速相分离作用，由此制备的二氧化硅纤维膜表面展现出众多构筑有纳米突起的荷叶仿生表面结构。其中加入到混纺溶液中二氧化硅纳米颗粒的含量被证明是影响纤维表面形貌和润湿性的关键因素。而含有38.8wt％二氧化硅纳米颗粒的经过氟硅烷修饰的纤维膜能得到最高的与水的接触角为155°、与油的接触角为143°、与橙汁的接触角为142°、与牛奶的接触角为137°和最低的滚动角。此外，经氟硅烷修饰后的二氧化硅纤维膜经弯曲后没有出现任何微细裂纹，并且该膜的柔韧性通过KES-FB2S表征后发现其弯曲刚度较小，展现出优良的柔韧性。我们认为这类新型无机纤维膜在高温过滤、高温防护、新型自清洁服装和可挠式电子装置等领域将拥有较为广泛的应用前景。
　　 此外，本课题还通过场发射扫描电镜、轮廓仪、光学接触角测量仪、傅氏转换红外线光谱分析仪、X射线衍射仪等测试对该纤维膜进行表征，并引用Wenzel和Cassie理论模型对纤维膜润湿性进行分析，探索纤维膜的表面形貌、化学组成和结晶结构对其润湿性和柔韧性的影响。