仿生超疏水功能表面的制備及其性能研究.pdf

1、超疏水材料是一種對(duì)水具有排斥性的材料，水滴在其表面無法滑動(dòng)鋪展而保持球型滾動(dòng)狀，從而達(dá)到滾動(dòng)自清潔的效果。自然界當(dāng)中的荷葉是該種材料的典型代表。由于該材料的特殊浸潤(rùn)性，使得其在自清潔、防腐蝕、防霧、流體減阻等領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，材料表面具有較高的粗糙度和較低的表面自由能是實(shí)現(xiàn)其超疏水性的兩個(gè)必要條件。據(jù)此，科研人員采用多種方法來構(gòu)建超疏水表面，如：溶膠凝膠法、等離子體刻蝕法、化學(xué)浴法、靜電噴涂法、逐層吸附法等等，但能用于大

2、規(guī)模應(yīng)用生產(chǎn)的制備方法較少。本文采用濕化學(xué)法制備出超疏水性的無機(jī)氧化物薄膜、改性油漆涂層及鋁材、鋅材，并對(duì)其疏水性和隱形性能進(jìn)行了深入的理論分析，具體內(nèi)容如下：
　　 在第一章當(dāng)中，首先對(duì)超疏水理論和自然界當(dāng)中的超疏水表面接進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹；之后對(duì)制備有機(jī)物、無機(jī)物和金屬超疏水表面的方法進(jìn)行了綜述；最后對(duì)超疏水表面的潛在應(yīng)用進(jìn)行了概括分析。
　　 在第二章中，主要做了花狀ZnO微球的制備及其浸潤(rùn)性研究和對(duì)其形成機(jī)機(jī)理的探

3、討。采用HF作為溶液添加劑的方法，影響和控制ZnO材料的結(jié)晶生長(zhǎng)過程，制備出由花狀ZnO微球組成的薄膜。經(jīng)過氟硅烷修飾后，該薄膜由超親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?，水滴在其表面的接觸角為154°，滾動(dòng)角小于5°，具有良好的超疏水自清潔性。同時(shí)結(jié)合薄膜表面的結(jié)構(gòu)分析和Cassie-Baxter模型對(duì)其浸潤(rùn)性進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果表明由片狀ZnO組成的微球具有較大的氣孔，從而使得水滴和固體表面的接觸面積大大減小，加之氟硅烷的修飾使其具有超疏水的性能。

4、然后通過改變ZnO晶體生長(zhǎng)時(shí)間、改變HF添加量等方法對(duì)花狀ZnO微球的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在整個(gè)成核生長(zhǎng)過程當(dāng)中，H+的主要作用是減少溶液當(dāng)中成成核數(shù)量，而F-的主要作用是限制ZnO沿c軸方向的生長(zhǎng)，兩種離子的協(xié)同作用造成了花狀ZnO微球的產(chǎn)生。
　　 在第三章當(dāng)中，采用ZnO顆粒作為添加劑制備出具有亞超疏水性的改性油漆涂層，水滴在其表面的接觸角最高可達(dá)147°，接近于超疏水的狀態(tài)。油漆本身的低表面自由能和ZnO顆粒的摻

5、入增加了涂層表面的粗糙度這兩個(gè)因素是產(chǎn)生亞超疏水改性涂層的主要原因。本章中對(duì)ZnO顆粒的摻入量和油漆摻入量對(duì)涂層浸潤(rùn)性的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在固定油漆加入量的前提下，ZnO顆粒的增加可以增加表面的疏水性；而在固定ZnO顆粒摻入量的條件下，油漆量的增加會(huì)使得涂層表面的疏水性降低。主要原因是ZnO顆粒與油漆的比例對(duì)最終改性涂層表面結(jié)構(gòu)的影響。最后通過與氟硅烷修飾后的ZnO顆粒膜的疏水性進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，該表面沒有實(shí)現(xiàn)超疏水狀態(tài)的原因有兩

6、個(gè)：1.油漆自身的疏水性不夠高；2.ZnO顆粒提供的氣孔量較少。
　　 在第四章中，采用溫水浸泡和氟硅烷修飾的方法制備出具有良好的超疏水自清潔性的鋁片，水滴在其表面的接觸角大于160°，滾動(dòng)角小于5°。溫水處理后使鋁片表面形成納米片組成的粗糙結(jié)構(gòu)，加之氟硅烷的修飾使其具有超疏水的性能。同時(shí)文章當(dāng)中還就溫水浸泡的溫度及浸泡的時(shí)間對(duì)鋁片浸潤(rùn)性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用90℃的溫水浸泡且浸泡時(shí)間小于2小時(shí)可使鋁片獲得最佳的超疏水

7、效果。
　　 在第五章當(dāng)中，采用鹽酸腐蝕和溫水浸泡的方法，使鋅片具有了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)組成的仿荷葉表面。經(jīng)過氟硅烷修飾后，該鋅片顯示出良好的超疏水性。同時(shí)文章當(dāng)中還對(duì)鹽酸腐蝕的時(shí)間對(duì)其浸潤(rùn)性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果鋅表面經(jīng)過鹽酸處理90秒可以使最終的鋅片獲得最佳的超疏水性，水滴在其表面的接觸角大于160°，滾動(dòng)角接近于0°。
　　 在第六章中，采用鹽酸腐蝕和ZnO晶體生長(zhǎng)的方法使白鐵皮具有超疏水自清潔性。同時(shí)由于ZnO納米棒對(duì)