基于sol-gel电化学技术的超疏水表面及其在金属防护中的应用

摘要

润湿性是材料表面的重要性能之一，取决于材料表面的微纳结构以及表面自由能的大小。超疏水表面是一种与水滴接触角大于150 o且滚动角小于10 o的特殊材料表面。在自然界中，超疏水现象无处不在，如荷叶“出淤泥而不染”、水黾在水面上可以自由驰骋等。深入研究荷叶结构发现，在微观结构上，荷叶表面由微米级的乳突构成，同时乳突上还有很多树枝状的纳米结构，这些微纳米结构表面均由低表面能的生物蜡所覆盖。受荷叶结构启发，人们设计出两种超疏水表面的制备方法：将具有低表面能的物质表面粗糙化；采用低表面能物质修饰粗糙的材料表面。目前，人们已经开发出很多制备超疏水表面的方法，如水热法、刻蚀法、化学气相沉积法、电沉积法，静电纺丝法等。其中，电化学辅助沉积法以其可控性强、易于重复等特点而被广泛地应用在电分析、传感器、金属腐蚀防护、超疏水薄膜制备等领域。本论文利用电化学辅助沉积技术在金属基体上构建超疏水表面，研究其对金属腐蚀防护功能；利用超疏水粗糙多孔的结构作为缓蚀剂存储器构建具有主动防护功能的超疏水薄膜；通过采用低表面能聚合物交联修饰或者超疏水纳米颗粒填充的方法，改善电沉积超疏水溶胶-凝胶（sol-gel）薄膜的机械耐磨性能。
　　本研究主要内容包括：⑴金属基体上电沉积超疏水 sol-gel薄膜以及耐蚀性能研究。分别采用“一步”电沉积技术和“两步法”制备得到超疏水sol-gel薄膜，并采用接触角变化、铁离子溶出量和电化学阻抗谱（EIS）研究了超疏水薄膜的防护性能。研究表明，超疏水处理的基体，其耐蚀性能明显得到提高，相对于“一步法”而言，由于电沉积无机SiO2薄膜的刚性强，使得“两步法”制备所得超疏水薄膜的机械性能和热修复性能均略胜一筹。⑵构建具有主动防护功能的超疏水薄膜及其相关研究。利用电沉积sol-gel薄膜粗糙多孔的结构特点，将其作为缓蚀剂的载体构建具有主动防护功能的超疏水表面。针对无机、有机两种不同类型的缓蚀剂，采用了两种不同的缓蚀剂包裹方法。对于不溶于后续低表面能物质中的无机铈盐缓蚀剂，采用分步制备的方法，即先吸附无机缓蚀剂后修饰以低表面能物质，得到含有铈盐的超疏水薄膜；对于易溶于低表面能物质溶液中的有机缓蚀剂苯并三氮唑（BTA），则采用在前驱体溶液中加入缓蚀剂，通过一步电沉积的方法制备含有缓蚀剂的复合超疏水薄膜，BTA释放动力学曲线测试结果表明，金属腐蚀所引起的局部 pH的变化可以有效地引发缓蚀剂的释放。研究结果表明：无机/有机缓蚀剂的加入可以进一步降低金属的腐蚀速率，提高基体的耐蚀性能。⑶利用聚合物 PDMS修饰或超疏水二氧化硅纳米颗粒填充的方法构建耐磨超疏水表面。采用PDMS作为修饰剂时，PDMS用量的过少时，薄膜的疏水性和耐磨性均不佳，而过量的PDMS又会覆盖电沉积SiO2的粗糙结构。适量的PDMS可以在保证良好超疏水性的同时有效地交联电沉积SiO2颗粒，减缓超疏水表面在摩擦过程中受到的机械损伤。采用电泳的方式将超疏水SiO2颗粒填充在整个电沉积SiO2的多孔骨架中，从而制备得到超疏水薄膜，该薄膜兼具电沉积SiO2刚性结构和超疏水SiO2颗粒的超疏水性。和（2）中“两步法”超疏水薄膜相比，上述两种超疏水表面的耐机械摩擦性得到明显提高。此外超疏水 SiO2纳米颗粒填充的超疏水薄膜还具有优异的热水性、耐高温性以及自清洁性。

目录

声明

致谢

第一章 绪论

1.1 固体表面润湿理论

1.2 自然界超疏水表面

1.3 仿生超疏水表面的制备

1.4 仿生超疏水表面的应用领域及现状

1.5 sol-gel电化学简介

1.6 本论文的研究目的与意义

1.7 参考文献

第二章 实验部分

2.1 实验主要试剂与基体

2.2 实验仪器

2.3 测试技术

第三章 电沉积超疏水sol-gel薄膜的制备及其防护性能研究

3.1 一步法超疏水薄膜的制备及其防护性能

3.2 两步法超疏水薄膜的制备及其防护性能

3.3 本章结论

3.4 参考文献

第四章 具有主动防护功能的超疏水薄膜的制备及其性能研究

4.1 实验方法与步骤

4.2 超疏水薄膜物理表征及防护性能测试

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章结论

4.5 参考文献

第五章 耐磨超疏水sol-gel薄膜的制备及其性能研究

5.1 基于聚合物PDMS构建耐磨性超疏水薄膜

5.2 基于超疏水SiO2纳米颗粒构建耐磨性超疏水薄膜

5.3 本章结论

5.4 参考文献

第六章 总结与展望

附录 攻读博士学位期间取得的成绩