Cu基超浸润表面的制备与抗结冰、抗菌性能研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wukuiyuxin66666
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铜具有优异的导电、导热性和耐蚀性,广泛应用于传热、散热等领域。但是传统的铜质材料的亲水性导致其表面容易形成的膜状凝露,而且凝露的湿润环境易造成病菌滋生问题,这严重影响了设备效率和安全运行。受自然启发制备的超浸润材料在自清洁、防腐、抗结冰、抗菌等领域有着广泛应用。因此本文在铜表面采用水热合成和激光刻蚀来构筑表面微纳米结构,用十七氟癸基三甲氧基硅烷(CF3(CF2)7(CH2)2-Si(OC2H5)3,FAS17)来降低表面的润湿性,对改性后的表面的抗结冰和抗菌性能进行了探讨,具体工作如下:1、采用水热合成法在铜基体表面制备了Zn OHF涂层,该涂层由尺寸长度在5-15μm,尖端直径大小为500nm的棱柱状晶粒构成,具有仿生多肉花状形貌。经FAS17修饰后得到超疏水表面,水滴接触角(WCA)为151.8±0.5°,滚动角(WSA)为2.5±0.1°。静态延缓水滴冻结实验证明该涂层的延迟结冰时间达到1456s,比原始铜表面高36倍以上,表现出良好的抗结冰性能;抑菌圈实验和细胞生长曲线表明该涂层比原始铜板的抗菌性能更优异。但耐久性实验表明,该Zn OHF涂层的鲁棒性较弱,经过25次撕拉实验后,WCA已低于140°。2、采用激光刻蚀法在铜表面构建微纳米结构,研究了激光刻蚀的扫描间距和刻蚀加工次数对表面形貌的影响。XRD研究发现,激光刻蚀后表面会生成氧化铜。激光刻蚀间距对氧化铜的形貌有很大影响,当扫描间距≤40μm,表面会生成纳米绒毛状氧化铜。TEM和XPS分析表明,该绒毛状氧化铜为部分结晶的Cu2O和Cu O,可能来自激光刻蚀出的Cu蒸汽气相沉积。FAS17改性后UV-D2F试样疏水性能最好,WCA达到156.3±0.5°,WSA为1.6±1.0°。其延迟结冰时间达到9923s,比原始铜板高250倍以上。耐久性实验表明,Cu超疏水表面稳定性较好,经过25次撕拉实验后,其WCA依旧大于155°。但抑菌圈实验表明超疏水试样的抑菌性能稍低于原始铜板。3、采用选区二次激光刻蚀UV-D2F超疏水表面,制备了Cu基亲疏相间表面,研究了二次刻蚀出的单元格边长和亲水面积占比对于整体疏水性、抗结冰性能和抑菌性能的影响。单元格边长越大WCA越高,亲水面积占比越大WCA越小。当单元格边长为1.4mm,亲水面积比例12%时,试样疏水性WCA为143.0±0.6°,延缓结冰时间达到1889s,比原始铜基体高48倍以上,同时抑菌圈实验表明该表面的抗菌性能要优于铜表面。
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