含硅材料修饰下超疏水表面的构建与性能测试

摘要

超疏水微通道不仅具有传统亲疏水微通道在化工过程强化和安全控制等方面的优点，其在自清洁、提高传热系数和流体减阻等方面具有独特的优势，近十年来引起了大量研究者的关注。目前，超疏水材料的制备存在工艺繁琐、成本高和环境不友好等缺点。而将其应用于微通道，制备出性能稳定、可视性好的超疏水微通道的难度更大。本论文设计了不同的实验方法，开展了超疏水表面制备的研究，旨在设计并构建出可应用于疏水微通道反应器的机械性能良好的透明超疏水表面。 论文首先采用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和溶胶-凝胶法，在玻璃基板表面构造粗糙结构，再利用三甲基氯硅烷（TMCS）对其表面进行处理，制备出透明的疏水膜。着重探讨TMCS用量、改性时间、不同酸碱性环境、氨水浓度和浸泡时间等对修饰后的玻璃基板表面接触角的影响。 随后，为进一步提高表面疏水性，分别利用TMCS作为低表面能修饰剂，单尺度的二氧化硅纳米小球（SNSs）以及双尺度的补丁状二氧化硅纳米颗粒（PSNPs）构造粗糙结构；采用滴涂法在玻璃基板、打印纸和滤纸等多种基板表面构造出透明超疏水涂层；研究了粗糙度对于表面润湿性能的影响，并结合Wenzel模型与Cassie-Baxter模型进行理论了分析。 为提高超疏水涂层的机械性能，分别采用两种实验设计，对基于聚二甲氧基硅氧烷（PDMS）的疏水表面机械性能进行了改善：第一种方法是利用PDMS作为低表面能涂层和固化材料，并以疏水SNSs构造粗糙度并提供低表面能，采用旋涂和滴涂工艺，分别在玻璃和滤纸表面制备聚硅氧烷/二氧化硅杂化疏水涂层。实验中研究了SNSs用量对涂层接触角和微观形貌的影响。第二种方法利用固化后的PDMS薄膜作为基板，采用压印技术，制备出可转移的柔韧性良好的超疏水膜。 上述研究为后续在微通道中的应用打下基础。

目录

声明

第一章文献综述

1.1研究背景及意义

1.2固体表面润湿性概论

1.2.1表面润湿性的定义与分类

1.2.2表面润湿性的影响因素

1.2.3固体表面动态接触角

1.3表面润湿性的常用理论

1.3.1Young’s模型

1.3.2Wenzel模型和Cassie-Baxter模型

1.3.3Wenzel模型和Cassie-Baxter模型的适用性与局限性

1.4常用低表面能修饰剂

1.4.1烷基硫醇类

1.4.2有机硅烷类

1.4.3脂肪酸类

1.4.4芳香族叠氮化物

1.5超疏水表面的制备

1.5.1模板法

1.5.2刻蚀法

1.5.3溶胶-凝胶法

1.5.4相分离法

1.5.5自组装法

1.5.6静电纺丝法

1.6超疏水表面的应用

1.6.1自清洁

1.6.2防雾与防冰

1.6.3金属防腐

1.6.4油水分离

1.7本论文选题及主要研究内容

1.7.1选题背景

1.7.2研究内容

1.7.3创新点

第二章MTMS和TMCS修饰玻璃的透明疏水表面

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂与设备

2.2.2实验过程

2.2.3测试与表征

2.3结果讨论与分析

2.3.1反应原理

2.3.2TMCS对光滑玻璃基板的改性

2.3.3酸碱性水解条件对玻璃基板表面接触角的影响

2.3.4浸泡时间对玻璃基板表面接触角的影响

2.3.5TMCS浓度及改性时间对玻璃基板表面接触角的影响

2.3.6FT-IR

2.4本章小结

第三章纳米二氧化硅小球的制备及用于构建超疏水涂层

3.1前言

3.2基础实验部分

3.2.1实验材料与设备

3.2.2测试与表征

3.3纳米二氧化硅颗粒的制备

3.3.1实验制备

3.3.2结果讨论与分析

3.4超疏水涂层的制备

3.4.1超疏水涂层的整体制备过程简述

3.4.2结果讨论与分析

3.5本章小结

第四章基体表面超疏水涂层附着牢固性的实验研究

4.1前言

4.2基础实验部分

4.2.1实验材料与设备

4.2.2测试与表征

4.3聚二甲基硅氧烷/二氧化硅超疏水涂层的制备与分析

4.3.1实验步骤

4.3.2结果讨论与分析

4.4利用压印技术制备超疏水薄膜

4.4.1实验步骤

4.4.2结果讨论与分析

4.5本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

发表的论文

参与的科研项目

致谢