泡沫铜箔基超疏水材料的制备及性能研究

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超疏水材料是灵感来源于荷叶表面不粘水特性的仿生材料。当固体表面的接触角在150°以上,滚动角在10°以下时,即可称为超疏水材料。该材料在汽车,船舶,建筑等行业有着广阔的应用前景,但由于其稳定性影响了其应用。微纳结构是该材料具有自清洁性,减阻性,防冰性的主要原因,然而此结构在一定的外力,如雨水冲刷,摩擦等作用下会轻易遭到破坏导致失去超疏水性。因此,本试验选用了泡沫铜作为基体,该材料的微孔可以作为超疏水表面所必须的微米结构,在此基础上,通过(a)涂覆PTFE和改性SiO2,(b)反复涂覆SiO2和PFDTES,(c)分别涂覆SiO2-Fe3O4和SiO2-SiC,(d)涂覆微米SiO2和PTFE混合物及纳米Fe3O4、SiO2或SiC颗粒,研制了四种超疏水材料,对疏水性,耐磨性,耐腐蚀性和稳定性等进行了研究,具体结果如下:(1)通过浸渍提拉法将聚四氟乙烯(PTFE)和SiO2纳米颗粒涂覆于泡沫铜基体上,制备得到三层结构的超疏水材料,研究了该材料的疏水性、空气环境稳定性、机械摩擦性、减阻性能和防锈保护能力。结果表明,泡沫铜自身接触角为115°,涂覆PTFE后为140°,修饰SiO2后为154°,滚动角为6°。空气环境中放置270天,接触角下降到149°,机械摩擦50cm失去超疏水性,接触角为147°,滚动角超过10°。与普通木船模型相比,具有疏水表面的木船有更好的减阻效果。疏水表面有一定防生物吸附性和防锈保护能力。(2)采取浸渍提拉法反复涂覆SiO2和1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)到涂覆了PTFE的泡沫铜基体上,制备了多层堆叠结构的超疏水材料。研究了其机械摩擦稳定性及空气环境稳定性。结果表明,随着SiO2和PFDTES堆叠层数的增多,疏水性基本呈先上升后下降的趋势,接触角最大为157°,滚动角最小为2.9°。随着层数增多,空气环境中的稳定性有所改善,放置270天后,接触角最小为151°,滚动角最大为7.7°。堆叠层数增多可以增加机械摩擦稳定性,最优结果为摩擦距离为100cm时接触角为152°,摩擦距离为60cm时,滚动角为7°。(3)分别涂覆不同比例SiO2-SiC(A)纳米颗粒和SiO2-Fe3O4(B)纳米颗粒于PTFE修饰的泡沫铜基体上,研究了其疏水性能和耐腐蚀性能。结果表明,当A比例为5:3时,疏水性能最佳,接触角157.9°,滚动角1.3°;当B比例为1:1时,疏水性能最佳,接触角156.2°,滚动角7.1°。研究其耐腐蚀性能表明,当A比例为3:5时,腐蚀速率最小,耐腐蚀性能最好,比例为5:3时,腐蚀速率最大,耐腐蚀性能最差;当B的比例为5:3时,腐蚀速率最小,耐腐蚀性能最好,比例为1:1时,腐蚀速率最大,耐腐蚀性能最差。(4)通过浸渍提拉法制备了泡沫铜/微米SiO2颗粒(A)-PTFE/疏水纳米颗粒(B)三层结构的超疏水材料,研究了其疏水性能和耐腐蚀性能,经过正交试验得到最优配方和工艺。结果表明,A的质量为0.2g,A的粒径为0.5μm,B为Fe3O4颗粒时疏水性能最好,接触角为157°,滚动角为4.5°。A的质量为0.4g,A的粒径为10μm,B为Fe3O4颗粒时,腐蚀速率最小,耐腐蚀性能最好。
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