高分子材料表面疏水化研究

来源 :杭州师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiexiangjun
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(超)疏水是自然界中常见的一种现象,如荷叶表面的水珠及其自清洁功能、水黾在水面的自由移动等,因此对其疏水机理开展研究是十分必要的;同时,疏水材料在防覆冰、油水分离以及自清洁等领域的广泛应用,对其制备方法提出了更高的要求。已有研究结果表明,材料表面疏水化主要有两种途径:一种是降低其表面能,另外一种是在上述基础上构筑粗糙结构。鉴于此,本论文的工作从以下几个方面展开:首先,以凹槽状PDMS(聚二甲基硅氧烷)为基底,考察了表面粗糙程度对接触角的影响规律,并以此为基础明确了Cassie-Wenzel状态的转变机理及其影响因素;其次,以PVDF(聚偏氟乙烯)为例,研究了小分子改性剂对其亲疏水的影响规律,进而揭示了接触角对表面化学组成(表面能)的依赖关系;并通过熔体结晶和溶液结晶方式的比较,首次阐明了表面性质与高分子晶型之间的关系;最后以PLLA/POM(聚乳酸/聚甲醛)共混体系构建的环带球晶多级粗糙结构为基底,探讨了环带周期、高度差、PLLA含量以及表面残留等因素对其亲疏水性能的影响规律,明确了抽提所致残留在表面亲疏水性质中扮演的重要角色,并建立了一种构筑多孔疏水薄膜的新策略。全文结构如下:  在第一章中,首先对自然界中有代表性的超疏水生物表面进行了介绍和分析,探讨了超疏水材料的潜在应用;介绍了浸润性的基本概念、Wenzel理论、Cassie-Baxter理论以及接触角滞后等基本问题,对超疏水界面的基本原理做了系统阐述,介绍了超疏水表面的制备方法及研究进展,明确了表面疏水改性的两种基本思路:即表面化学组成(表面能)和表面粗糙程度;最后,总结了该领域发展面临的挑战;  在第二章中,系统研究了凹槽状PDMS基底亲疏水性质及其各向异性行为对图案参数(如凹槽宽度、凸起部分面积分数等)的依赖性;并以在线跟踪水滴在上述基底上挥发行为的方法,研究了Cassie-Wenzel转变行为。结果表明,初始阶段,水滴处于Cassie状态,且在垂直于凹槽方向和平行于凹槽方向上存在显著的各向异性.水滴的挥发过程依次表现出接触直径不变模式、接触角不变模式及共同减小模式,与平滑基底上水滴的挥发规律类似。在挥发过程中的第一阶段,发生了Cassie-Wenzel转变,转变发生的时间与PDMS基底上突起部分的面积分数(即固相率)呈现良好的线性关系。随着挥发的进行,水滴的各向异性在接触角不变模式阶段消失,即挥发导致水滴从开始的椭球缺状变为球缺状;  在第三章中,通过小分子添加剂方式对PVDF薄膜进行了疏水化改性,并研究了其疏水性对添加剂含量、样品退火时间、退火温度等因素的依赖关系。所得结果明确了热压薄膜最优改性条件:即添加剂含量1%,退火时间6h,退火温度100℃;在上述研究的基础上,以流延方式制备了改性PVDF薄膜,并对其接触角耐候性进行了研究,发现在我们的研究尺度内(5个月)接触角保持稳定;另一方面,旋涂薄膜对水的接触角与热压薄膜相比,有30度左右的提高,其原因是从溶液结晶时,以β晶型为主,而熔体结晶时,以α晶型为主;  在第四章中,研究了PLLA/POM共混体系等温结晶所得环带球晶多级粗糙表面的疏水性。一方面,通过共混组成、结晶温度和结晶时间等因素,系统调控了环带球晶的周期和高度差,所得结果表明,随着环带周期、高度差以及PLLA含量的提高,可有效降低接触角;另一方面,通过氯仿抽提方式将PLLA选择性去除,并以浓盐酸降解残留PLLA,成功获得接触角为120度、具有较高疏水性POM薄膜。并通过上述实验证实,常规抽提方式无法彻底去除PLLA,其在多孔表面残留是造成POM薄膜疏水性能不佳的根本原因,以上述结果为基础,建立了一种“抽提”和“降解”相结合制备多孔疏水薄膜的新方法。  在论文的最后,我们对全文结论进行了系统总结。
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