辉光放电电解等离子体技术在无机材料表面改性中的应用

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辉光放电电解是一种新型的电化学过程,等离子体由电极和电解质液面之间的直流辉光放电来维持。当两个电极间的电压足够高时,常规电解将自动转化为辉光放电电解,从而产生等离子体。等离子体中含有多种高活性组分,诸如H·、·OH、H2O2、e-aq、HO2·等,在与材料表面撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子,产生一系列物理和化学过程,或产生刻蚀而粗糙,或形成致密的交联层,或引入含氧极性基团,使亲水性、粘结性、可染色性及生物相容性分别得到改善。该技术工艺简单,操作方便,已成功用于高分子材料表面改性,但是有关金属及无机材料表面改性的报道却很少见,这正是本文的切入点。本文详细地研究了辉光放电等离子体技术在金属铜和锌、硅酸盐玻璃表面改性的应用。  第一章文献综述综述了等离子体的定义、性质、分类、产生的方法和途径以及等离子体技术在化学中的应用,对等离子体技术存在的问题、发展方向及应用前景也做了简单评述,重点介绍了辉光放电电解等离子体的产生、非法拉第特性、产生化学效应的机理和应用。同时,还介绍了超疏水表面的基础理论和常用的超疏水表面构筑方法,最后,简要介绍了时效性的有关概念。  第二章在辉光放电电解等离子体处理的铜基表面上接枝硬脂酸制备超疏水材料利用辉光放电电解等离子体技术对铜基底表面进行活化,再经硬脂酸修饰,得到铜基底超疏水性材料。考查了Na2SO4浓度、放电电压、放电时间、硬脂酸-甲醇溶液浓度、接枝时间以及接枝温度对超疏水表面性能的影响。用接触角仪、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)对铜表面的润湿性、表面元素组成及结构进行了表征和分析。结果表明,经修饰的铜基底表面具有良好的疏水性,接触角高达155°,滚动角小于5°,且稳定性良好。  第三章在辉光放电电解等离子体处理的锌基表面上接枝低表面能物质制备超疏水材料利用辉光放电电解等离子体技术对锌基底表面进行预处理,再经一些低表面能物质(如硬脂酸、全氟辛酸和12-羟基硬脂酸)修饰,得到一系列锌基底超疏水性材料,其静态水接触角均大于150°。通过扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)分别对等离子体处理后的锌基底表面结构和表面元素组进行了表征和分析,用红外光谱(FTIR)对锌基底超疏水膜成分进行了分析。结果表明,锌基底表面分级的粗糙结构和低表面能物质的修饰是其表现出超疏水性的原因。  第四章硅酸盐玻璃的辉光放电电解等离子体表面改性利用辉光放电电解等离子体对硅酸盐玻璃进行表面改性,以二次水为参比液体测量硅酸盐玻璃的表面接触角,利用原子力显微镜(AFM)观察硅酸盐玻璃表面的微观形貌,考察了放电电压、放电时间和电解质溶液的浓度对改性效果的影响。结果表明,硅酸盐玻璃经辉光放电电解等离子体改性后,其表面水接触角显著减小,润湿性得到改善;但随着放置时间的延长,这些良好的性能会逐渐退化。
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