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超疏水木质基表面的仿生合成及其性能研究

作　者: 王书良
导　师: 王成毓
学　校: 东北林业大学
专　业: 林产化学加工工程
关键词: 超疏水木质基涂层接触角滚动角
分类号: O647.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

超疏水表面是一类与水的接触角大于150°而滚动角小于10°的表面,其因在基础研究和潜在的工业应用方面具有重大的价值而引起了人们极大的兴趣。一般来说,超疏水表面可以通过在疏水材料表面构建合适的粗糙度或利用特殊的低表面能物质修饰粗糙表面而获得。本论文中,我们报道了四种不同的超疏水木质基表面,主要研究内容如下：通过湿化学沉积过程在木质基表面原位合成超疏水性氧化锌涂层。样品表面的超疏水性能通过接触角(CA)测量值来表征,其微观结构和化学组成通过扫描电子显微镜(SEM), X射线衍射仪(XRD)以及傅立叶红外光谱仪(FT-IR)来分析。分析结果表明：微米尺寸粗糙度的片状粒子规整有序地分布在木质基表面上,由硬脂酸和表面氧化锌粒子生成的疏水硬脂酸锌单分子层吸附在了氧化锌涂层表面,这个过程使得木质基表面由原来的亲水性转变为了超疏水性,其接触角最高可达到153°,滚动角小于5°当超疏水木质基在60℃的温度下放置一个月或浸泡在去离子水中一个星期,表面仍然维持超疏水性。通过采用正硅酸乙酯的溶胶-凝胶过程和十三氟辛基三乙氧基硅烷(POTS)的低表面能处理得到了超疏水木质基表面。木质基表面二氧化硅粒子的结晶形态通过X-射线衍射仪表征；超疏水表面的微观结构和化学组成通过扫描电子显微镜(SEM),能谱分析仪(EDXA)观测；二氧化硅粒子跟POTS之间的键合力通过红外光谱(FT-IR)分析；超疏水木质基表面的疏水性能通过接触角(CA)和滚动角(SA)测量值来表征。分析结果表明：亚微米尺度的二氧化硅粒子(200-300nm)规整有序地堆砌在了木质基表面上,在二氧化硅粒子构建高表面粗糙度和POTS修饰低表面能的共同作用下,木质基表面由原来的亲水性变成了超疏水性,其接触角最高可达到161°,滚动角小于2°。通过碱性热液反应过程在木质基表面原位合成球状的α-FeOOH涂层,经十八烷基三氯硅烷(OTS)表面修饰后,得到超疏水性的木质基表面。超疏水涂层表面的微观结构,化学状态和组成借助扫描电子显微镜(SEM), X-射线衍射仪(XRD),傅里叶变换红外光谱学(FT-IR)和能谱分析仪(EDXA)观测。处理样品的疏水性能通过测量接触角(CA)和滚动角(SA)的大小来表征。超疏水样品的环境稳定性和耐腐蚀性能也得以研究。研究结果表明：具有微纳米结构的球状α-FeOOH涂层均匀一致地沉积在了木质基表面,OTS分子跟α-FeOOH涂层发生了化学结合。超疏水样品的接触角最高可达158°,滚动角大约4°。处理样品放置在空气环境中三个月,或于室温条件下浸泡在PH=12的氢氧化钠或PH=2的盐酸溶液中2小时仍维持超疏水性。通过简单的滴涂法在木质基表面合成了稳定的超疏水性二氧化硅／聚苯乙烯复合涂层,该涂层的接触角最高可达到153°,滚动角小于5°。扫描电镜(SEM)观察表明复合涂层具有二维等级结构的粗糙度,由微米尺度的乳突和亚微米尺度的颗粒组成。亚微米／微米等级结构的粗糙度和低表面能PS的协同作用导致了涂层表面的超疏水性。超疏水木质基表面的可湿性可以通过控制体系中改性二氧化硅粒了的含量来调节。样品的稳定性和耐久性也得以研究,研究发现：超疏水木质基在外界环境中放置三个月,或经去离子水、普通有机溶剂浸泡12小时后,其表面仍然保持超疏水性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-26
  1.1 引言  11
  1.2 自然界中的超疏水现象  11-14
    1.2.1 荷叶效应  11-13
    1.2.2 水黾现象  13-14
  1.3 超疏水表面的理论基础  14-16
    1.3.1 静态接触角及Young's方程  14
    1.3.2 Wenzel与Cassie—Baxter接触角模型理论  14-15
    1.3.3 接触角滞后  15-16
    1.3.4 滚动角  16
  1.4 仿生超疏水性表面的制备方法  16-23
    1.4.1 刻蚀法  17
    1.4.2 溶胶—凝胶法  17-19
    1.4.3 溶液浸泡法  19
    1.4.4 电纺丝法  19-20
    1.4.5 层层自组装技术  20-21
    1.4.6 蒸汽诱导相位分离法  21-22
    1.4.7 其它方法  22-23
  1.5 超疏水表面技术中存在的问题、应用前景及发展趋势  23-24
  1.6 本文的选题思想及研究内容  24-26
2 木质基表面超疏水ZnO涂层的制备  26-34
  2.1 引言  26
  2.2 实验部分  26-28
    2.2.1 实验原料及仪器  26-27
    2.2.2 实验步骤  27
    2.2.3 性能测试与表征  27-28
  2.3 结果与讨论  28-33
    2.3.1 木质基表面氧化锌涂层的微观结构  28-29
    2.3.2 超疏水涂层的结晶形态及化学组成  29-31
    2.3.3 超疏水性表面的湿润性  31
    2.3.4 锌盐浓度对处理木质基表面润湿性的影响  31-32
    2.3.5 反应时间对处理木质基表面润湿性的影响  32-33
  2.4 本章小结  33-34
3 溶胶-凝胶法制备超疏水木质基表面  34-43
  3.1 引言  34
  3.2 实验部分  34-36
    3.2.1 实验原料及仪器  34-35
    3.2.2 实验步骤  35-36
    3.2.3 样品的测试与表征  36
  3.3 结果与讨论  36-42
    3.3.1 木质基表面二氧化硅粒子的结晶形态  36-37
    3.3.2 超疏水木质基表面的微观结构及化学组成  37-38
    3.3.3 二氧化硅粒子跟POTS分子的键合  38-40
    3.3.4 超疏水木质基表面的湿润性  40-41
    3.3.5 氨水用量对二氧化硅粒径大小及木质基表面疏水性能的影响  41-42
  3.4 本章小结  42-43
4 木质基表面超疏水α-FeOOH涂层的仿生合成  43-52
  4.1 引言  43
  4.2 实验部分  43-44
    4.2.1 实验原料及仪器  43-44
    4.2.2 实验步骤  44
    4.2.3 性能表征  44
  4.3 结果与讨论  44-51
    4.3.1 表面形貌观察  44-47
    4.3.2 表面化学组成分析  47-48
    4.3.3 疏水性能检测  48-50
    4.3.4 化学稳定性测试  50-51
    4.3.5 浸润性分析  51
  4.4 本章小结  51-52
5 木质基表面超疏水二氧化硅/聚苯乙烯涂层的构建  52-60
  5.1 引言  52
  5.2 实验部分  52-54
    5.2.1 实验原料及仪器  52-53
    5.2.2 实验步骤  53-54
  5.3 结果与讨论  54-59
    5.3.1 表面形貌分析  54-55
    5.3.2 表面化学组成分析  55-56
    5.3.3 超疏水木质基表面的湿润性  56-58
    5.3.4 稳定性测量  58-59
  5.4 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-69
攻读学位期间发表的学术论文  69-70
致谢  70-71

超疏水木质基表面的仿生合成及其性能研究

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