玻璃、织物、泡沫镍基PTFE超疏水薄膜的制备及性能研究

摘要

超疏水表面材料的研究历经数十载的发展，在油水分离、超疏水织物、液体输送、电池和燃料电池、防腐蚀等多个领域得到衍生的制备和推广应用。因此，超疏水表面材料的研究和推广应用具有重要而深远的意义。　　但是在现有的制备方法中，普遍存在工艺复杂、对环境有害、疏水性能不良等问题。本文利用射频磁控溅射法，分别在玻璃、织物、泡沫镍网三种基底上溅射制备聚四氟乙烯（PTFE）超疏水表面，所用材料成本低廉，方法简单、高速、常温、对环境零污染且疏水效果良好。　　在玻璃基底上溅射制备超疏水薄膜，探究了制备工艺参数以及微观结构对薄膜疏水性能的影响。采用表面轮廓仪、接触角测量仪、场发射扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、冷冻箱、紫外-可见分光光度计对薄膜性能进行研究。结果表明：最佳工艺参数条件下薄膜的接触角为166.1°，滚动角为5.7°；加热是磁控溅射工艺形成超疏水膜的关键因素，PTFE因受热挥发，使得薄膜表面产生“蛙卵”状的网孔结构，这些孔洞被空气填充因而表面不会被水珠润湿；薄膜具有良好的耐低温性和透光性，-20℃下静置12天仍具备超疏水性能，当PTFE膜厚为380.32nm时，透光率仍在90%以上。　　在涤纶织物基底上溅射超疏水薄膜，探究了制备工艺参数对薄膜疏水性能的影响。利用表面轮廓仪、接触角测量仪、光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、摩擦色牢度仪、紫外-分光光度计对薄膜性能进行研究。结果表明：在最佳工艺参数条件下，薄膜的表面接触角为165.4°，滚动角为3.8°，磁控溅射在织物表面会形成自支撑膜层，基底的网孔被填充，单根纤维束上形成“瘤状”颗粒，织物经溅射后具备良好的耐摩性能和抗紫外性能。　　在不同目的（300＃、110＃、90＃、70＃、50＃、30＃）泡沫镍网上溅射得到PTFE超疏水薄膜。研究了网孔尺寸对溅射表面接触角的影响，通过接触角测量仪、场发射扫面电子显微镜、X射线光电子能谱仪对其性能进行研究。结果表明：300#的基底的表面接触角最高达161.4°，30#的接触角为152.4°，溅射是直接包覆在泡沫状的基底结构上而非形成自支撑膜，泡沫镍网的超疏水表面具备良好的耐酸碱性能。

目录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 超疏水概述

1.2.1 接触角与杨氏方程

1.2.2 超疏水的理论模型

1.2.3 滚动角与接触角滞后

1.3 超疏水表面的制备方法

1.4 超疏水表面的应用背景

1.5 PTFE超疏水薄膜的研究现状

1.6 磁控溅射技术

1.6.1 磁控溅射工作原理

1.6.2 磁控溅射的成膜机理

1.6.3 磁控溅射的应用

1.7 磁控溅射PTFE薄膜的难点

1.8 课题的研究内容与创新点

2 实验部分及表征

2.1 实验部分

2.1.1 实验试剂与材料

2.1.2 实验设备

2.1.3 参数与薄膜的制备

2.1.4 工艺路线

2.2 表征

2.2.1 薄膜厚度和粗糙度的测试

2.2.3 薄膜表面形貌的测试

2.2.4 薄膜表面成分的测试

2.2.5 玻璃基底薄膜透过率的测试

2.2.6 玻璃基底薄膜耐低温性能的测试

2.2.7 超疏水织物的耐摩擦性能测试

2.2.8 超疏水织物的抗紫外性能测试

2.2.9 超疏水泡沫镍的耐酸碱性能测试

3 玻璃基底上PTFE超疏水薄膜的制备及性能研究

3.1 靶材成分及基底的表面形貌

3.1.1 靶材成分分析

3.1.2 基底的表面形貌

3.2 工艺参数的探讨及其对薄膜疏水性能的研究

3.2.1 正交试验设计

3.2.2 正交结果分析

3.2.3 温度对薄膜疏水性能的影响

3.2.4 压强对薄膜疏水性能的影响

3.2.5 溅射时间对薄膜疏水性能的影响

3.2.6 溅射功率对薄膜疏水性能的影响

3.3 薄膜的超疏水性能

3.4 薄膜的表面形貌分析

3.5 薄膜的组成成分分析

3.6 薄膜的透光率

3.7 薄膜的耐低温性能

3.8 本章小结

4 织物基底上PTFE超疏水薄膜的制备及性能研究

4.1 工艺参数的探讨及其对疏水性能的研究

4.1.1 温度对织物疏水性能的影响

4.1.2 压强对织物疏水性能的影响

4.1.3 溅射功率对织物疏水性能的影响

4.1.4 溅射时间对织物疏水性能的影响

4.2 织物的疏水性能及改善

4.2.1 织物的超疏水性能

4.2.2 织物表面Cu-PTFE薄膜的制备

4.3 织物的表面形貌分析

4.4 织物的表面成分分析

4.5 织物的耐摩擦性能

4.6 织物的抗紫外性能

4.7 本章小结

5 泡沫镍基底上PTFE超疏水薄膜的制备及性能研究

5.1 泡沫镍的疏水性能

5.2 泡沫镍的表面形貌分析

5.3 泡沫镍的表面成分分析

5.4 泡沫镍网的耐酸碱性能测试

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文

C学位论文数据集

致谢