纤维素织物功能化及其表面特殊润湿性研究

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表面润湿性是固体重要的表面特性之一,也是普遍存在的自然现象,与我们的日常生活密不可分,具有重要的研究价值和应用价值。固体表面润湿性是通过液体在表面上的接触角来表征的,对于水的接触角大于150°的表面称为超疏水表面,如果水在固体表面的接触角小于5°则称为超亲水表面,相应的对于油滴来说也有类似的定义。固体表面的特殊润湿性体现在对液体的极端排斥性和亲和性,典型的固体表面特殊润湿性有超疏水、超亲水、超疏油、超亲油以及表面特殊润湿性间的复合与相互转换。植物纤维素是自然界最丰富的可再生资源之一,纤维织物是我们日常生活的必需品。一方面,天然纤维素表面具有大量的羟基,其织物制品具有很强的亲液性,在使用过程中很容易被污染,所以对天然纤维织物进行抗水、抗油污改性具有重要的现实意义;另一方面,纤维织物作为价廉易得的多孔粗糙表面,对其表面润湿性进行功能化处理并赋予材料对环境响应的特殊润湿性,建立起材料粗糙结构、化学组成与材料表面润湿性之间的关系,在流体控制、微流体原件、智能开关、表面自清洁、油水选择性分离等领域具有重要的科学意义。本论文是围绕表面化学、表面结构与材料表面润湿特性展开的,通过含氟偶氮苯功能衍生物的制备、平滑表面润湿性的研究以及特殊润湿性粗糙表面的制备和表征,具体探讨了材料表面化学和表面结构对材料表面性能的影响,提出并验证了表面润湿性机理。本论文的研究内容主要有:(1)平滑表面润湿性与固体表面能的关系:将含氟偶氮苯衍生物、功能硅烷偶联剂修饰在硅片表面上制得相对平滑的表面,研究了不同液体在平滑表面上的接触角,通过Owens-Wendt方法测定了固体表面能,探讨表面润湿性与固体表面能的关系;偶氮苯衍生物平滑表面的研究揭示其在不同的光照条件下具有相应的高能态和低能态;不同硅烷偶联剂由于反应活性和表面能不同,可以实现表面亲水性和疏油性的共同调控。(2)具有光响应性超疏水表面的制备研究:将含氟苯胺、含氟偶氮苯衍生物通过化学手段修饰在织物表面上,表面呈现出超疏水特性,甚至能够实现水滴在表面的弹跳;由于含氟偶氮苯的光致异构作用使其修饰的纤维织物表现出光学可控的润湿特性,即在可见光下,反式伸展态的偶氮苯具有较低的表面能,对水具有超强的排斥性,而在紫外光下,反式结构转变为较高表面能的顺式结构,使得表面呈现出超强的亲水性,偶氮苯的可逆重构现象也赋予纤维织物光学智能、循环可控的超亲水-超疏水特性。(3)具有反常的超亲水超疏油表面的设计:亲水疏油性需要表面具有化学异质的特性即亲水基团和疏油基团并存,三乙氧基氟化碳链氯硅烷兼具低表面能的对液体排斥作用的含氟碳链以及适中反应活性的活性基团,而纤维素织物具有大量可反应性和强亲水性羟基,室温下通过化学气相沉积将乙氧基氟化碳链氯硅烷修饰在织物表面,使得织物本身的亲水性和氟化碳链的疏油性并存,预期功能化的纤维织物具有反常的超亲水超疏油表面特性,即对油等非极性液体材料表现出超强抗油性,而对水等极性液体织物表面表现出超亲性,这种具有反常亲水疏油特性的表面预期在自清洁衣物、化学防护以及油水分离处理中具有重要的应用前景。
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