功能导向的特殊润湿性表面的制备及其性能研究

摘要

具有特殊润湿性能的界面材料自出现以来便引起了人们的广泛关注，这类材料在表面自清洁、油的吸附与油水分离，生物医学、储能电池和传感器等领域都有广泛的应用。将材料表面四种特殊的油水润湿性能进行多元组合，可以得到大量具有高级功能的新型材料，本文以功能为导向，围绕材料的润湿性这一主题，分别从三个不同的方面采用不同方法制备了具有特殊润湿性能的膜和涂层材料，并实现了初步应用，主要内容如下:
　　首先，采用相反转的方法以饱和氯化钠溶液为凝固浴制备了丙烯酸接枝的超亲水疏油聚偏氟乙烯膜，通过调节致孔剂聚乙烯吡咯烷酮的用量来调控膜的结构。实验结果表明:具有超亲水疏油特性的PVDF-g-PAA膜不仅可以分离普通的油水混合物，还可以高效地分离油水乳化液，且膜可重复使用;加入致孔剂PVP可以改善膜的通量和稳定性，当PVP含量为5％时膜拥有最优的性能，此时将膜应用于普通油水混合物的分离，其分离率在98％以上;用于油水乳化液的分离，经数次分离后其分离率仍可以达到91％，且通量可以维持在444 L·m-2·h-1以上。
　　其次，通过简单的液相混合法将不同粒径二氧化硅颗粒混合，用氨水做催化剂，将低表面能物质修饰到二氧化硅颗粒的表面，在透明基底上制备出了兼具超疏水性和透明性的涂层。当不同粒径二氧化硅的质量比是5∶1时所形成的涂层具备较好的微-纳复合结构，得到的涂层表现出优异的超疏水性能，接触角达到150°以上，滚动角小于5°。通过控制二氧化硅分散液的总浓度，可以获得高透明度的超疏水玻璃。通过采用胶粘剂的方法提高超疏水层与玻璃基底的粘附力，获得了较牢固的超疏水涂层，即使用大量水冲洗和手指刮涂，玻璃仍然具有超疏水性能。同时该涂层也可以涂覆在其他类型的基底上，如滤纸、棉花及无纺布等。
　　最后，以30nm二氧化硅与200nm二氧化硅颗粒为主体，以聚二甲基二烯丙基氯化铵和全氟辛酸钠为低表面能修饰物质，制备多粒径二氧化硅水分散液，然后将其喷涂在不锈钢网上，得到具有特殊润湿性能的不锈钢网。实验结果表明:当分散液中只有30nm的二氧化硅颗粒时，得到的涂层是超亲水疏油涂层;随着分散液中200nm二氧化硅颗粒的逐渐增加，涂层的疏水性能和疏油性能和都逐渐增加，当分散液中粒径为30nm的二氧化硅颗粒和粒径为200nm的质量比达到1∶1时，涂层的水接触角为153°，油接触角为158°，此时涂层表现出超双疏特性;随着200nm的二氧化硅颗粒的比例进一步增加，涂层的疏水疏油性能均有所下降;当分散液中只有200nm的二氧化硅颗粒时，此时涂层的水的接触角为134°，油的接触角为104°，涂层表现出疏水疏油的特性。其中超双疏和超亲水超疏油涂层是两种具有重要的应用意义的涂层，在航天、厨房用具、油水分离等领域有潜在应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 材料表面的润湿性能

1．1．1 基本概念

1．1．2 材料表面的微观结构

1．1．3 材料表面自由能

1．2 具有特殊润湿性能的表面

1．2．1 超疏水表面

1．2．2 超亲水／超疏油表面

1．2．3 超双疏表面

1．3 具有特殊润湿性能的表面的制备方法

1．3．1 溶胶凝胶法

1．3．2 刻蚀法

1．3．3 等离子表面处理法

1．3．4 溶液浸渍法

1．3．5 气相沉积法

1．3．6 湿法化学法

1．3．7 直接成膜法

1．3．8 自组装和交替沉积法

1．4 本论文的选题背景及研究内容

1．4．1 选题背景

1．4．2 本文的研究内容

第二章 超亲水疏油多孔聚偏氟乙烯膜的制备及在油水分离中的应用

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 聚偏氟乙烯(PVDF)膜的制备

2．1．2 聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面接枝聚丙烯酸(AA)

2．1．3 多孔PVDF-g-PAA膜的制备

2．2 样品的表征

2．2．1 膜的润湿性测试

2．2．2 膜的形貌表征

2．2．3 膜在油水分离过程中的性能测试

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 PVDF膜接枝前后接触角变化的表征

2．3．2 PVDF膜改性前后表面形貌的表征

2．3．3 PVDF-g-PAA在油水分离中的应用

2．4 本章小结

第三章 复合粒径纳米二氧化硅超疏水涂层的制备及应用

3．1 实验试剂与仪器

3．2 实验流程

3．2．1 复合粒径SiO2分散液的制备及疏水化改性

3．2．2 不同比例的复合粒径SiO2分散液和涂层的制备

3．2．3 不同浓度的复合粒径SiO2分散液的制备

3．2．4 不同硅烷偶联剂含量的复合粒径SiO2分散液的制备

3．2．5 在不同基底上制备超疏水涂层

3．2．6 牢固的超疏水涂层的制备

3．3 样品表征

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 SiO2的形貌

3．4．2 不同粒径SiO2的超疏水涂层的形貌及其对超疏水性能的影响

3．4．3 分散液总浓度对超疏水性能和透明度的影响

3．4．4 复合粒径SiO2分散液总浓度涂层透光性能的影响

3．4．5 硅烷偶联剂用量对超疏水性能的影响

3．4．6 超疏水涂层液作用在各个类型基底上的的超疏水效果

3．4．7 超疏水涂层的耐冲击性及与基底结合力增强的探究

3．5 本章小结

第四章 复合粒径纳米二氧化硅超双疏和亲水疏油涂层的制备及应用

4．1 实验试剂和仪器

4．2 实验流程

4．2．1 超双疏涂层液的制备

4．2．2 超亲水超疏油涂层液的制备

4．2．3 分散液中不同粒径SiO2比例对涂层亲、疏水性能的影响

4．2．4 超双疏涂层和超亲水超疏油不锈钢网的制备

4．3 样品的表征

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 超双疏和超亲水疏油涂层的接触角

4．4．2 不同粒径SiO2比例对涂层亲、疏水性能的影响

4．4．3 不同SiO2比例的涂层的的形貌图

4．4．4 不锈钢网上的超双疏涂层和超亲水疏油涂层

4．5 本章小结

第五章 总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢