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超疏水涂层的结构控制与性能研究

作　者: 胡优
导　师: 黄承亚；王慧敏
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料工程
关键词: 超疏水十甲基环五硅氧烷微结构电化学沉积毛细作用力
分类号: O647.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

超疏水表面具有很多独特的表面性能:如自清洁性、疏水、低摩擦系数、防结冰性等特性,这些特殊性能使其在工农业生产、国防建设以及人们的日常生活有重要的应用前景。由于材料表面的疏水性是由材料表面的化学组成及表面微观结构共同作用的结果,因此通过改变材料表面化学组成和表面结构形貌可以实现对材料表面疏水性的控制。本论文正是基于这一理论从材料的表面化学组成和表面微观结构两个方面入手,利用两种技术手段:在玻璃片构筑了具有微纳二元复合结构与低表面自由能材料相结合的表面;在铝合金片上构筑微观粗糙结构的表面,同时接枝低表面能化学物质改变所制备结构的表面自由能。上述两种方法均实现了对材料表面疏水性的控制,为超疏水涂层的进一步工业应用奠定了基础。最后,在实验和文献的基础上建立了2维模型,模拟分析水滴在超疏水表面的润湿状态。本课题主要内容如下:1.利用十甲基环五硅氧烷(D5)和纳米二氧化硅原位聚合后的复合产物并添加助剂,采用喷涂的方法在预处理玻璃表面上制取超疏水涂层。所制备的表面具有优良的疏水性,对水的静态接触角超过150°,滚动角小于5°。此外,所制备的超疏水表面具有一定化学稳定性、良好的附着力和出色的热稳定性。2.采用电化学沉积和自组装方法在铝合金表面制备出超疏水表面。通过改变电流密度,在铝合金表面构筑不同粗糙度微结构镀锌膜,再在其表面吸附低表面能单分子层,实现表面粗糙结构与低表面能的结合,最终实现材料表面超疏水性。各种表征结果和理论分析表明:所制备表面具有的优良的超疏水性是有其自身所具有的特殊的化学结构和表面微观形貌所决定的。此外,利用上述方法所制备的超疏水表面展现出较好的持久性和出色的自清洁性能。3.建立2维模型,模拟分析水滴在超疏水表面的润湿状态,以模型为基础推导出Cassie状态下毛细作用力的计算公式,与实验结果结合,以此模型对所制备样品疏水现象进行分析。得出在Cassie状态下,水滴下面存在滞留空气(空气枕结构),增加气-液接触面百分数,不仅可以减少固-液接触面百分数,进而导致固-液相互作用力减小,使固-液间作用力减小而使毛细作用力增加,结果使水滴所受合力降低,水滴在固体表面上的滚动变得更加容易。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-31
  1.1 固体表面润湿的定义及超疏水概念  11-12
  1.2 固体表面润湿的基本理论及常用概念  12-17
    1.2.1 表面张力  12-13
    1.2.2 理想光滑固体表面的润湿性  13-14
    1.2.3 粗糙固体表面的润湿性  14-17
  1.3 超疏水表面常用的制备方法  17-26
    1.3.1 溶胶－凝胶法  18-19
    1.3.2 气相沉积法  19-20
    1.3.3 模板法  20-21
    1.3.4 电化学法  21-22
    1.3.5 离子溅射和激光照射法  22-23
    1.3.6 合成新的具有特殊结构纳米粒子  23-24
    1.3.7 相分离法  24-25
    1.3.8 高分子材料/无机粒子复合法  25-26
  1.4 超疏水涂层的应用研究  26-30
    1.4.1 自清洁效应  26-27
    1.4.2 流体输送  27-29
    1.4.3 防结冰结性研究  29-30
  1.5 本课题研究意义  30
  1.6 本课题研究内容  30
  1.7 本课题的创新点  30-31
第二章利用D_5/SiO_2原位聚合在玻璃表面制备超疏水涂层  31-44
  2.1 前言  31-32
  2.2 实验部分  32-35
    2.2.1 主要原料或试剂  32
    2.2.2 主要仪器设备  32-33
    2.2.3 样品制备  33-34
    2.2.4 表征手段  34-35
  2.3 结果与讨论  35-43
    2.3.1 D_5/SiO_2 原位聚合物红外光谱分析  35-36
    2.3.2 涂层表面形貌分析  36-37
    2.3.3 SiO_2 质量分数对涂层表面静态接触角的影响  37-39
    2.3.4 SiO_2 质量分数对涂层表面滚动角的影响  39
    2.3.5 涂层厚度测试  39
    2.3.6 不同溶液下接触角值  39-40
    2.3.7 附着力测试  40
    2.3.8 耐热性分析  40-42
    2.3.9 机理分析  42-43
  2.4 本章小结  43-44
第三章利用电化学沉积法在铝合金表面制备超疏水镀锌膜  44-59
  3.1 前言  44
  3.2 实验部分  44-47
    3.2.1 主要原料或试剂  44-45
    3.2.2 主要仪器设备  45
    3.2.3 样品制备  45-46
    3.2.4 表征方法  46-47
  3.3 结果与讨论  47-58
    3.3.1 表面形貌分析  47-49
    3.3.2 镀锌膜表面静态接触角随电流密度变化规律  49-51
    3.3.3 镀锌膜表面动态接触角随电流密度变化规律  51-52
    3.3.4 表面元素能谱(EDS)分析  52-54
    3.3.5 超疏水膜的机械性能分析  54-55
    3.3.6 超疏水表面自清洁实验  55-56
    3.3.7 机理分析  56-58
  3.4 本章小结  58-59
第四章毛细作用力对超疏水现象的定性研究  59-63
  4.1 前言  59-60
  4.2 模型及公式推导  60-61
  4.3 公式及模型应用  61-62
  4.4 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-71
攻读硕士学位期间取得的研究成果  71-72
致谢  72-73
附件  73

超疏水涂层的结构控制与性能研究

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