仿生超疏水材料的制备及性能研究

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仿生材料是指模仿自然界中生物的各种特点或特性而开发的材料。在众多仿生材料中,仿生超疏水材料由于其特殊的表面浸润性,在人们的日常生活中和工农业生产中都具有非常广泛的应用前景。然而,目前制备超浸润材料存在诸多制约因素。例如,制备过程中用到污染环境的含氟物质;制备工艺复杂、需要用到昂贵的设备;制备工艺仍停留在实验室阶段,无法大面积生产;生产制备出的材料稳定性差,无法在实际生活中长时间使用等。此外,设计的超浸润材料功能比较单一也是制约其发展的重要因素。针对这些不足,本论文以大量的文献调研为基础,设计制备出了多种超浸润表面。并且对制备的超浸润材料的性能进行了系统地研究与分析。本论文的主要研究内容可以概括为以下几点:1.当具有微米和纳米双粒径尺寸的超疏水涂层受到外部机械摩擦时,首先受到磨损的是尺寸较大的微米结构,当微米结构被磨损殆尽纳米结构依然保存其原有的性质。基于此思路,本实验用微米尺寸的硅微粉与具有疏水性能的纳米二氧化硅混合,同时加入有机树脂,通过简单的喷涂方法制备出一种具有微纳米乳突复合结构的超疏水涂层。该涂层机械强度高,化学稳定性好,耐紫外辐射性能优异,并且实现了大面积制备。在滤纸表面制备的涂层在水面可以承载自身重量的39倍,具有很好的浮力。2.模仿贻贝的黏附作用,使用多巴胺将氧化锌纳米粒子负载到石墨烯表面制备微纳复合结构,同时使用疏水改性剂正十二硫醇对其进行疏水改性制备出石墨烯/氧化锌-正十二硫醇超疏水材料。然后通过有机胶粘剂的粘结作用将合成的材料与玻璃或者金属基底牢牢粘接在一起制备了稳定的超疏水涂层。制备的涂层具有光热效应、耐腐蚀、耐砂纸摩擦等多种功能。当制备的涂层在受到O2等离子侵蚀后,涂层表面由原来的超疏水转变成超亲水状态,由于涂层具有光热效应,将涂层放在太阳光下照射一段时间以后又恢复到原来的超疏水状态,并且可以重复多个周期。3.通过在织物表面负载二氧化硅凸起结构,随后进行聚二甲基硅氧烷的包覆制备了一种超疏水/超亲油织物。所制备织物的水滴接触角最高可达到155±1.5°,而油滴在其表面的接触角接近于0°。制备的织物具有很好的机械化学稳定性,在不同p H溶液中(1,3,5,7,9,11,13)、实验室常见溶剂(THF,Et OH,DMF,n-Hexane)中浸泡24 h后,依然具有很好的抵抗水滴浸润性。此外,制备的超疏水/超亲油织物对二氯甲烷/水混合物具有很高的分离效率和良好的循环使用寿命。
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