仿生超疏水性ZnO和TiO2纳米材料的制备与性能研究

摘要

近年来，由于受“荷叶效应”的启发，与水的接触角大于150°的超疏水性纳米结构材料引起了科学界的极大关注。本文通过对各种天然和人工超疏水性表面的微观结构分析和机理研究，选择ZnO、TiO2无机材料体系，开展不同的具有粗糙结构的纳米材料的制备，并利用低表面能物质进行化学修饰，对其引发的表面疏水性质的改变进行较为系统地研究，以获得优异性能的无机超疏水性纳米结构材料。论文的主要研究内容如下:
　　 1.采用简易的低温液相合成法，选取成本低廉的氧化锌前驱物为研究对象，成功获得了由许多规则纳米片组装成的分级ZnO花状微纳米球，并采用X射线衍射、扫描电子显微镜及透射电子显微镜等表征手段对其进行了结构、形貌及生长机理的探讨。在紫外光下对罗丹明B的光催化降解测试中，与其他纳米结构的氧化锌粉体相比较，该分级ZnO产物显现出了增强的光催化效率。在此基础上，通过低表面能的硬脂酸对ZnO进行化学修饰，获得了仿生疏水特性表面。研究发现，表面的润湿性对硬脂酸的添加量非常敏感。当硬脂酸的添加比例为8％时，与水的接触角几乎达到178°，并且水滴和表面几乎不黏着，具有极好的超疏水性和低的粘附性。
　　 2.采用氢氧化钠溶液一步浸泡法及后续的硬脂酸浸渍在锌片表面成功获得了具有粗糙结构的超疏水氧化锌纳米棒阵列薄膜，其表面与水的接触角达到157°，滚动角低于5°。此外，还研究了不同的硬脂酸浓度对该薄膜表面超疏水性能的影响。结果表明，10ml的无水乙醇中最佳硬脂酸含量为0.2g时有利于获得性能优异的超疏水氧化锌薄膜。
　　 3.采用水热法，以草酸钛钾为反应原料，借助气泡模板和配体交换反应，在玻璃基底上成功沉积了环状的TiO2聚集体薄膜。该薄膜经过正十八烷基硫醇或硬脂酸的化学修饰后，均表现出良好的超疏水特性。通过研究发现，这种优异的超疏水特性可以被归为TiO2纳米颗粒和纳米棒组装成的微纳米分级结构和低表面能自组装单层膜二者协同作用的结果。
　　 4.在不同的基底材料表面对获得的超疏水性ZnO及TiO2纳米材料进行性能测试，拓展其作为一种新型的超疏水自清洁涂料和超疏水自清洁透明玻璃的应用。