苯并噁嗪制备粘附力可控的超疏水表面及其性能研究

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润湿性和润湿状态是固体表面的两个重要性质。近年来,研究者受大自然中荷叶、红玫瑰花瓣等超疏水现象的启示,制备出大量的仿生超疏水表面材料,并成功地应用于自洁净、无损失液滴转运、油水分离等领域。超疏水表面已经被广泛研究并且现在可以使用各种各样的材料和方法获得,但是大多数超疏水表面的制备方法存在成本高、过程复杂、污染环境、不稳定等缺点,严重阻碍了超疏水表面材料在实际工业中的应用。固体的表面性质是否与其体相组成和生长环境有关,能否通过调控体相组成和生长环境制备粘附力可控的超疏水表面材料,这些重要问题尚且没有引起研究者的重视。针对上述问题,研究课题以苯并噁嗪为基体树脂,利用不同的金属氯化物调控基体的体相组成,选择不同的固化介质控制固体表面的生长环境。依据水在新合成材料金属氯化物-聚苯并噁嗪(M-PBZ)表面上的接触角和滚动角评价它的疏水性和对水的粘附力。考察负载基底、溶剂甲醇和相分离剂甲苯的体积比、陈化时间、金属氯化物的种类和质量百分比、固化温度、固化时间和固化介质等对合成材料的疏水性和对水的粘附力的影响。通过现代科学分析仪器对M-PBZ超疏水表面的形貌、化学组成和性能进行了表征;考察表面化学组成与性能的关系,分析体相组成和生长环境对表面润湿性和润湿状态的影响;探索M-PBZ超疏水表面的形成机理和粘附力可控机理;考察高粘附力超疏水表面的无损失液滴转运模拟应用和低粘附力超疏水表面的自洁净性能。研究结果表明:以铝板作为表面的负载基底,甲醇/甲苯体积比为1:2,陈化时间11 h,SnCl4·5H2O/苯并噁嗪质量百分比为18.75%,固化温度200℃,固化时间2h,最终成功制备接触角高达154.2°的Sn-PBZ超疏水表面。通过调控聚苯并噁嗪的体相组成和表面生长环境,可以一步原位合成粘附力可控的M-PBZ超疏水表面;首次发现粘附力可控的M-PBZ超疏水表面的润湿性和润湿状态强烈地依赖于它的体相组成和生长环境;而且这种原位合成的粘附力可控的超疏水表面具有非常高的稳定性。M-PBZ超疏水表面的形成机理为在金属阳离子和甲苯的诱导作用下,苯并噁嗪单体发生分子自组装,形成类胶束结构,在非极性固化介质中固化,这些类胶束结构得以保留,并以共价键相互连接形成微纳米多层次粗糙结构,最终获得M-PBZ超疏水表面。通过超疏水表面对水的粘附力的分析表明,高粘附力的M-PBZ超疏水表面属于“花瓣”状态,低粘附力的M-PBZ超疏水表面属于“荷叶”状态。制备的M-PBZ超疏水表面可以应用于无损失液滴转运和自洁净等方面。课题的研究不仅为粘附力可控的超疏水表面材料的研究注入了新思想,而且也为多相催化剂和减阻材料的制备提供了有益的启示。
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