仿生超疏水表面的制備及其性能研究

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1、摘要摘要超疏水表面因其特殊的浸潤性，在自清潔、防腐蝕、抗結冰和油水分離等多種不同領域具有廣泛的應用前景。目前，超疏水表面的制備通常存在所使用的設備/試劑昂貴、操作復雜、制備條件苛刻等缺點，而且有些超疏水表面化學穩(wěn)定性較差。因此尋找簡單有效的方法來制備化學穩(wěn)定性好的超疏水表面至關重要。本課題首先采用簡單的刻蝕法在鐵片上制備出超疏水鐵表面，研究其在自清潔和防結冰領域中的應用。其次，采用半連續(xù)種子乳液聚合法制備了具有軟核硬殼結構的硅丙乳液，然后以硬脂酸為低表面能物質，納米氧化鋁構造粗糙度，制備了Al2O3/

2、水性丙烯酸酯超疏水復合涂層，將其應用于自清潔和油水分離領域中。此外，將疏水化的納米氧化鋁與硅丙乳液復合制備了改性Al2O3/丙烯酸酯超疏水復合涂層。論文中的主要研究內容和結果包括以下方面：（1）采用氯化銅刻蝕的方法在鐵片表面構造出具有微-納米尺度的粗糙結構，并用硬脂酸作為低表面能物質進行疏水化改性，制備了具有超疏水特性的鐵表面。對影響超疏水鐵片表面粗糙結構和潤濕性能的各種因素進行了優(yōu)化，當CuCl2濃度為0.005mol/L，刻蝕時間為15min，硬脂酸濃度為0.5wt%，修飾時。間為10min時，鐵

3、片表面具有超疏水性，其水接觸角達到153.6?？疾炝顺杷F表面的耐熱老化穩(wěn)定性和耐酸堿性，發(fā)現(xiàn)該表面在溫度0～100℃、pH<11范圍內能保持超疏水性，有良好的穩(wěn)定性。用Cassie理論對表面的潤濕性進行了分析，發(fā)現(xiàn)水滴與超疏水鐵片表面的接觸面積分數(shù)只有8.6%，而與空氣的接觸面積分數(shù)達到91.4%。超疏水鐵片應用于自清潔和防結冰領域，展現(xiàn)出了優(yōu)異的自清潔和防結冰效果。（2）采用種子半連續(xù)乳液聚合法以甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸（AA）為主要單體，通過加入適量的有機硅A-17

4、4，制備了具有軟核硬殼結構的核殼乳液。優(yōu)化了有機硅改性核殼型硅丙乳液的工藝參數(shù)，當反應溫度為80℃，乳化劑用量為3%，引發(fā)劑用量為0.6wt%，丙烯酸用量為2wt%，有機硅用量為4wt%且與30%的殼單體預乳化后加入時，可得到凝膠率為0.8%，轉化率為93%，附著力為0級，硬度為2H，乳膠粒平均粒徑為97.8nm的穩(wěn)定有機硅改性核殼型丙烯酸酯乳液?？疾炝擞袡C硅對乳膠膜熱穩(wěn)定性和疏水性的影響，發(fā)現(xiàn)有機硅的加入使得丙烯酸酯乳膠膜的熱穩(wěn)定性和水接觸角都I摘要得到了提高。（3）將納米氧化鋁分散到自制的硅丙乳液

5、中，利用噴涂工藝制備得到Al2O3/水性丙烯酸酯復合涂層，然后使用廉價的低表面能物質硬脂酸進行疏水化改性，制備得到Al2O3/水性丙烯酸酯超疏水復合涂層。對影響Al2O3/水性丙烯酸酯超疏水復合涂層表面粗糙結構和潤濕性能的各種因素進行了優(yōu)化，當硅丙乳液與納米氧化鋁質量比為1.5:1，硬脂酸修飾時間為10min，硬脂酸濃度為3wt%時，所。。制備的超疏水涂層水接觸角達到157.8，滾動角為6.4。研究了超疏水涂層在各種基底上的適用性，發(fā)現(xiàn)該超疏水涂層可廣泛應用于玻璃、木材、鐵片、紙等材質上?？疾炝顺杷?/p>

6、涂層的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)超疏水涂層在高溫、沸水、強酸/強堿溶液和有機溶劑污染等惡劣環(huán)境下均能保持超疏水性。用Cassie理論對表面的潤濕性進行了分析，表明水滴與超疏水涂層表面的接觸面積分數(shù)只有5.7%，而與空氣的接觸面積分數(shù)達到94.3%。探討了超疏水涂層在自清潔和油水分離中的應用。結果表明，該涂層即使被油污染后仍具有良好的自清潔效果，將Al2O3/水性丙烯酸酯超疏水復合涂層應用于濾布上制備得到超疏水濾布，所制備的超疏水濾布具有良好的耐用性，對不同含水量的油水混合物分離效率都大于96%，而且該超疏水濾布對正

7、己烷、煤油、正十二烷、汽油和食用油等不同的油也具有高效的油水分離效率，分離效率都大于96%。（4）用硬脂酸對納米氧化鋁進行改性，然后將其分散到自制的硅丙乳液中，利用噴涂工藝制備得到改性Al2O3/丙烯酸酯超疏水復合涂層。探討了硅丙乳液含量對涂層疏水性和成膜性的影響，當硅丙乳液與改性納米氧化鋁質量比為1:1。。時，超疏水涂層水接觸角達到155.4，滾動角為5.8?？疾炝顺杷繉拥姆€(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)改性Al2O3/丙烯酸酯超疏水復合涂層具有良好的耐熱老化穩(wěn)定性、耐酸堿性和耐溶劑性。用Cassie理論對表面的潤

8、濕性進行分析，發(fā)現(xiàn)水滴與超疏水涂層的接觸面積分數(shù)只有7.0%，而與空氣的接觸面積分數(shù)達到93.0%。研究了超疏水涂層在自清潔中的應用，結果表明，該超疏水涂層在空氣中具有良好的自清潔效果，而且該涂層即使被油污染后仍具有良好的自清潔效果。關鍵詞：超疏水；微納米結構；硬脂酸；納米氧化鋁；硅丙乳液；性能IIAbstractAbstractThesuperhydrophobicsurfacehasawiderangeofapplicationprospectsin