相反转法制备超疏水表面及其性能研究

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润湿性是材料表面一种重要的性质,它的存在对材料的用途产生了极其重大的影响。超疏水性能是一种特殊的性状表现,如荷叶出淤泥而不染,水黾能自如的走在水面等。同时,因为超疏水表面具有自清洁、防污、防腐蚀、防雾、防履冰等优异的性能,一直以来都是科研工作和工业生产研究的热点。目前,科研工作者们制备得到了很多类型的超疏水表面,但大多数的超疏水表面难以实际应用。一是超疏水表面的制备过程繁琐复杂、周期长、原材料价格高且来源渠道窄;二则因为人们对制备出的超疏水表面的关注点主要放在超疏水性能上,没有关注到实际工业化生产和应用中所遇到的其他情况。因此,简单的制备过程、低廉的成本和稳定的超疏水性,是目前制备超疏水表面一个重要的研究方向。本论文以相反转方法为主要制备方法,结合其它简便方式以及经济实惠的原材料实现了超疏水表面的制备,在获得超疏水性能的同时,对超疏水表面的防腐蚀性、自清洁能力、耐磨损能力等进行了系列研究,为应用型超疏水表面材料的制备提供了一种新的策略。本论文的研究内容为:(1)通过大豆油燃烧得到碳沉积粒子,然后以硬脂酸钠为乳化剂,将碳沉积粒子分散于去离子水中得到碳沉积粒子/硬脂酸钠悬浮液,冰乙酸和硬脂酸钠反应得到硬脂酸,通过真空抽滤的方式沉积于滤膜,最后利用水蒸发诱导相反转制备得到了超疏水碳沉积粒子杂化表面(SCPHF),其接触角(WCA)大于150°,滚动角(SA)小于5°。详细研究了碳沉积粒子/硬脂酸钠的比例、水蒸发温度等制备条件对疏水性能的影响。当水蒸发温度在70~77.5℃,碳沉积粒子复合膜(硬脂酸钠含量为24.8wt%)表面的接触角为152°~155°,且滑动角小于3°。水蒸发温度为75℃时,碳沉积粒子复合膜表面的疏水性随着硬脂酸钠(SST)含量的增加而增加,且接触角都在150°以上。还考察了超疏水碳沉积粒子复合膜表面的耐酸碱能力,发现膜表面在接触p H=1~13范围内的液滴时接触角依旧保持超疏水性,有着良好的稳定性。用Cassie理论计算发现,液滴与表面的接触面积比例为0.283。此外,超疏水碳沉积粒子复合膜在自清洁领域展现出了较好的应用前景。(2)采用聚偏氟乙烯(PVDF)为低表面能材料,溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中形成PVDF/DMF溶液,在空气和水浴中固化得到凝胶,然后利用低温处理和冷冻干燥制备得到超疏水PVDF表面。探讨了低温处理对PVDF表面粗糙度以及疏水性的影响,当PVDF在-20℃下处理之后,表面呈现沟壑状结构且疏水角度上升到了154°,滚动角约为5°。考察了超疏水PVDF(简称PVDF-20)的耐磨损性能、耐酸碱能力和吸油性能,发现PVDF-20表面经过强酸强碱腐蚀、水流冲击、手指触摸和胶带撕扯之后,表面接触角没有发生明显变化,保持了超疏水状态。考察了严重外力破坏后,PVDF-20表面的疏水性,发现在砂纸上打磨以及用外力将其表面破坏之后,其疏水角度约为160°,即使打磨50圈以后,PVDF-20表面疏水性依旧没变。同时,PVDF在强酸强碱的液滴接触下,疏水性能未减弱。探讨了PVDF-20在吸油方面的应用。结果表明:PVDF-20具有良好的亲油性,能快速吸收多种不同的有机溶剂和油,针对易挥发的有机溶剂可以进行反复吸收和脱附处理。(3)通过丙酮作为助溶剂将环氧树脂(ER-44)和改性PVDF均匀混合到N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中,加入一定量的二乙烯三胺对混合溶液中的环氧树脂进行开环,再将混合溶液分别放在空气和水中溶胶-凝胶化,经过冷冻干燥得到ER-44/改性PVDF复合材料(EPCM),利用打磨工序对EPCM表面处理后得到EPCM超疏水表面。对影响复合涂层的粘附性、疏水性和相容性等各种因素进行考察,发现ER-44的引入使得改性PVDF对基材表面有较好的粘附性,且随着ER-44含量的升高,EPCM的强度虽然升高但是其表面的疏水能力减弱;丙酮作为助溶剂可以降低ER-44与改性PVDF不互溶引起的传质阻力,促进两相形成均一相,引入丙酮后,复合材料表面变得更加均匀。经打磨工序处理过的,EPCM的接触角大于150°,滑动角小于10°。研究了EPCM的耐酸碱能力,结果表明:EPCM可以在长时间的强碱液滴的接触下依旧保持接触角大于150°,表现出了耐强碱腐蚀性。
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