水下超疏油性的壳聚糖-SiO2复合膜和含3,4-乙撑二氧噻吩共聚物薄膜的制备及其润湿性

摘要

近年来,特殊润湿性表面成为材料科学、物理化学等相关领域的研究热点。虽然人们对空气中各种材料表面的润湿性有了较为深入的认识,但是对于材料在水中的润湿性规律还缺乏了解,对于如何调控材料在水中的润湿性还有待深入研究和探索。
　　水下超疏油表面是指在水中油滴在固体上的接触角大于150°的表面,由于水下超疏油表面在微流体操控、油水分离、抗生物粘附、船舶及其他海洋设备的防污等方面具有良好的应用前景而引起了人们的研究兴趣。亲水性的化学组成和微纳复合的粗糙结构是构造水下超疏油表面的两大关键因素。研究人员利用亲水性的化学成分,通过模仿自然界生物表面的微观几何结构,开发了多种制备水下超疏油表面的方法,然而大多工艺过程复杂,难以实现水下超疏油材料的简易制备和实际应用。
　　壳聚糖具有优良的成膜性、生物相容性及生物降解性,价格低廉,在医药、印染、环境等领域有广泛的应用。壳聚糖分子中含有亲水基团-OH和-NH2;聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)是一种重要的亲水性导电聚合物,两种材料的亲水性为利用它们来制备水下疏油表面提供了可能性。
　　本论文利用壳聚糖和亲水性SiO2纳米颗粒,通过浸渍提拉法在玻璃表面制备了具有水下超疏油性的壳聚糖-SiO2复合膜,并以EDOT为单体,采用电化学聚合法制备了PEDOT基聚合物薄膜,研究了空气中和水下薄膜润湿性的影响因素,并探索了水下超疏油表面在水下油滴微反应器中的应用。主要研究内容和结论如下:
　　1.测定了空气中水和1,2-二氯乙烷,以及水中1,2-二氯乙烷在纯壳聚糖膜、玻璃、铝片、PS膜和PTFE膜五种材料上的接触角,分析了五种材料在空气中的润湿性,并通过它们在水中的润湿性分析,说明在空气中亲水的材料可以用来构造水下超疏油表面。
　　2.利用浸渍提拉法在玻璃表面制备了水下超疏油壳聚糖-SiO2复合膜。采用扫描电镜观察样品形貌,通过原子力显微镜分析了薄膜表面粗糙度,并测定了在水中各种薄膜上1,2-二氯乙烷的接触角。研究了组分配比、浸泡时间、壳聚糖的分子量和pH值对复合膜表面形貌和润湿性的影响。结果表明,对于分子量为100万的壳聚糖-SiO2复合膜,当SiO2乙醇悬浮液和壳聚糖溶液的体积比为1:1,复合膜浸泡24 h,水下疏油性最好,水下油滴接触角OCA达157.8°,滚动角SA为1.9°。当SiO2含量比较低时,壳聚糖-SiO2复合膜在水中的润湿性随pH值变化会在超疏油和疏油之间转换;当 SiO2乙醇悬浮液和壳聚糖溶液体积比为1:2和3:4时,复合膜可以在pH值1~14之间保持比较稳定的水下超疏油性。壳聚糖-SiO2复合膜可以用于水下油滴的操控,利用水下超疏油黏滞表面和不黏滞表面实现了溴(Br2)和苯乙烯在油滴微反应器中的加成反应。
　　3.以3,4-乙撑二氧噻吩(EDOT)为单体,采用电化学聚合法制备了PEDOT水下超疏油表面;通过引入带有疏水性烷基链的噻吩单体3-乙基噻吩、3-己基噻吩和3-十二烷基噻吩共聚,调节聚合物薄膜表面的润湿性;研究了EDOT和3-烷基噻吩单体的摩尔比、3-烷基噻吩的烷基侧链、聚合电压对共聚物表面的润湿性的影响。结果表明,纯 PEDOT薄膜在空气中既超亲水又超亲油,在水中超疏油;纯聚3-烷基噻吩薄膜在空气中为高疏水和超亲油表面,在水下表现出高亲油性。通过引入3-烷基噻吩与EDOT共聚,可显著改变共聚物在空气中和水下的润湿性,共聚物膜在空气中呈现高疏水性和亲油性,在水下呈亲油性。3-烷基噻吩的烷基侧链长度和聚合电压对共聚物膜的润湿性也有影响。不同电压下恒电位处理的PEDOT膜颜色在深蓝色和蓝色之间变化,但表面润湿性没有明显变化。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 表面润湿性

1.3 水下超疏油表面的制备方法

1.4水下超疏油表面的应用

1.5 本论文的研究内容与意义

参考文献

第二章 水下超疏油性壳聚糖-SiO2复合膜的制备与性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 含3,4-乙撑二氧噻吩聚合物薄膜的电化学聚合及其润湿性调控

3.1引言

3.2实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 全文总结

致谢

附录1：不同pH值缓冲溶液的配制

附录2：攻读硕士学位期间发表或待发表的论文