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在动植物表面仿生材料研究中,主要是应用其表面非光滑、非线性、特殊的有序阵列结构和相应的构建材料来实现某些特殊功能。花粉粒直径一般为几十微米,表面具有复杂形貌的微纳米梯度结构,且表面微观形貌随着种类的不同而千变万化,同时花粉在同一种类内其粒径、微观形貌又具有均一性,是作为构造具有特殊功能微纳米梯度结构的一个非常优越的模板。
超疏水表面一般是指与水的接触角大于150°而滚动角小于10°的表面,由表面化学组成和微观几何结构共同决定。一般制备超疏水表面的方法有两类,一类是在疏水材料表面构建粗糙结构;另一类是在粗糙表面上修饰低表面能物质。构建具有超疏水性微纳米结构的表面在表面化学和材料化学等基础研究及工业生产中都有着极其重要的意义。此外,具有特殊结构的无机材料在催化、磁学、分离、气体传感器、电器和光学设备等中有潜在的应用价值,而以花粉为模板制备新型梯度结构无机功能材料无疑具有重要的理论意义。
本论文中,利用花粉表面特有的微纳米梯度结构,通过在其表面包覆不同的材料分别制备了具有类花粉形貌的三种氧化物粒子(TiO2、ZnO、SiO2)和低反射的聚四氟乙烯(PTFE)超疏水涂层,同时利用0.μm PTFE微粉的自我团聚效应也制备出了超疏水涂层。具体内容如下:
1.花粉模板法制备梯度结构氧化物粒子
以三种具有典型表面结构的花粉(即茶花花粉,油菜花粉,红薯花粉)为模板通过简单的表面溶胶-凝胶和随后的热处理过程制备了具有微纳米梯度结构的 TiO2、ZnO、SiO2三种氧化物粒子,并对不同材料制备的微纳米梯度结构粒子的表面形貌、光学特性、孔径分布、比表面积等性质进行了研究。结果表明花粉是一种高效构建微/纳米梯度结构材料的模板。这种利用易得、廉价和环境友好的花粉粒为生物模板的方法为以后通过简单的化学过程来构造具有复杂微米/纳米结构的多孔梯度结构粒子提供了一条简便易行的思路。
2.油菜花粉为模板制备多功能超疏水涂层
在油菜花粉表面包覆一层PTFE微粉经过熔融固化过程制备具有梯度结构的PTFE-花粉超疏水涂层,通过测量水滴在该涂层表面的接触角和滚动角研究了其疏水特性。结果表明:在4μm PTFE微粉制备的(简称P(4))涂层上涂覆一层P(4)包覆的油菜花粉制备的涂层接触角为146°,滚动角大于10°,疏水模式属于Wenzel模型;在P(4)涂层上涂覆一层0.1μm PTFE微粉(简称P(0.1))包覆的油菜花粉制备的类荷叶表面微/纳米梯度结构的P(0.1)-花粉涂层,随着表面乳突密度增加其超疏水性质随之增强,乳突密度达649/mm2时,其接触角达可达153.8°,滚动角达4.1°,是很好的超疏水涂层,疏水模式属于Cassie-Baxter模型。利用该超疏水涂层具有的非线性特征,及花粉碳化后形成的碳对光的强吸收效应,研究了该涂层UV-Vis-IR的反射特性,同时该疏水涂层对波长为1.06μm的激光具有强的耗散特性。
3.聚四氟乙烯超疏水涂层耐溶剂性研究及应用
分别在P(4))和聚苯硫醚(PPS)制备的基底涂层上涂一层P(0.1)微粉制备了具有微/纳米梯度结构的超疏水涂层,并研究了该超疏水涂层的耐溶剂性。结果表明:P(4)-P(0.1)和PPS-P(0.1)复合超疏水涂层接触角均大于150°,滚动角小于10°,疏水模式属于Cassie-Baxter模型;PPS-P(0.1)复合超疏水涂层具有较好的耐溶剂性。涂覆P(0.1)涂层的筛网具有良好的疏水亲油的特性,且具有良好的耐溶剂性,可以成为一种很好的油水分离网,在油水分离领域有潜在的应用前景。