【摘要】：超疏水表面優(yōu)異的非浸潤性在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中具有非常大的應(yīng)用前景,但是耐久性一直是制約超疏水表面被廣泛應(yīng)用的主要因素。表面能改性技術(shù)是制備超疏水表面不可或缺的條件之一,但是對耐久性和浸潤性產(chǎn)生的影響并不明確。該論文首先研究了改性技術(shù)對超疏水表面耐久性的作用機(jī)理以及表面浸潤性的好壞,并提出了制備耐久性超疏水表面的新方法:親水-超疏水性雙極膜,即通過親水性中間連接層的作用將超疏水膜與基材以共價(jià)鍵的形式緊密結(jié)合在一起,由此增強(qiáng)超疏水表面的耐久性。利用這種方法成功的制備了幾種耐久性的超疏水表面:超疏水超疏油表面、抗反射高透明超疏水表面。超親水表面:水滴可以其表面完全鋪展,在強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程具有非常重要的作用。本文也對如何制備耐久性的超親水表面做了研究并將制得的耐久性超親水表面應(yīng)用于除濕機(jī)中,探究其對強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程產(chǎn)生的影響。具體研究如下:首先,采用不同的改性方法制備八種不同的超疏水表面,探究表面能改性技術(shù)對制備耐久性超疏水表面產(chǎn)生的影響。利用砂紙打磨的方法對所獲表面進(jìn)行耐久性的定量研究,同時(shí)對表面的微觀形貌結(jié)構(gòu)以及化合物成分進(jìn)行檢測分析,找出了影響耐久性的關(guān)鍵因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性技術(shù)通過影響改性表面的粗糙度進(jìn)而影響超疏水表面的耐久性,粗糙度越大,表面的耐久性越好。其次,利用影響耐久性的關(guān)鍵因素,提出了由親水-超疏水雙極復(fù)合膜制備耐久性超疏水表面的方法。該方法通過在超疏水膜層與基材間增加一層具有親水性特征的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀連接層,使連接層通過共價(jià)鍵作用將基材與超疏水膜層緊密牢固的結(jié)合在一起。同時(shí)連接層包覆大量微米級固體顆粒,極大地提高表面粗糙度。雙極性膜層通過高粗糙度和共價(jià)鍵的雙重作用,增強(qiáng)了所獲超疏水表面的耐久性。第三,探究了超疏油表面形成的機(jī)理,并在此基礎(chǔ)上制備了超疏水超疏油表面。其中改性材料中的顆粒具有微-納兩種結(jié)構(gòu)并通過兩次氟改性降低表面能。所獲表面的表面能低至0.254 mJ/m~2,粗糙度高達(dá)15.61μm,對水和各種液體油(表面張力大于30mN/m)的接觸角都大于150°,滾動角小于10°。通過對超疏水超疏油表面的膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),制備成具有類砼結(jié)構(gòu)的膜層,將連接層與低表面能改性顆粒融為一體,制備耐久性超疏水超疏油(SOS)表面。第四,將包覆有顆粒的連接層構(gòu)筑成具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀多孔結(jié)構(gòu)的連接層,再附載改性納米顆粒,制備具有抗反射高透明特性的耐久性超疏水表面。多孔結(jié)構(gòu)通過致孔劑在煅燒過程中氧化揮發(fā)而得到,隨后用疏水溶膠對多孔連接層進(jìn)行改性,使疏水納米顆粒附載在多孔表面形成雙尺度微觀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)表面的耐久性。此外,所得耐久性超疏水涂層的折射率只有1.3471;在可見光范圍內(nèi)的平均透光率高達(dá)97.9%,比玻璃基材提高了將近9%。最后,通過在聚四氟乙烯(PTFE)板表面刻蝕出均勻排列的微米級圓柱體,隨后將自制超親水性SiO_2顆粒粘附到微結(jié)構(gòu)表面,獲得耐久性超親水PTFE板。將所獲超親水PTFE板用在液體除濕空調(diào)系統(tǒng)中,探究超親水塑料工作板對液體除濕系統(tǒng)性能的影響。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與未涂覆超親水涂層的PTFE板相比,超親水PTFE板表面的潤濕面積增加1.5～5倍,平均液膜厚度降低1.4～2.4倍,除濕率提高1.3～1.8倍,除濕性能得到了明顯的改善。
【圖文】：

水自清潔特性的荷葉表面。（a）荷葉表面的實(shí)物圖；（b）在荷葉表面著蘇丹紅顆粒的水滴在被污染的荷葉表面滾動的瞬間；（d）荷葉表面微SEM圖us leaves with superhydrophobic and self-cleaning properties. (a) The phwater droplets on the lotus surface with spherical shape; (c) a water dro with collecting the contaminations which was sudan red dirt contaminaleaf; (d) the SEM image of surface morphology on the lotus leaves疏水表面的制備方法不斷涌現(xiàn)，但是絕大多數(shù)方法制備的超生產(chǎn)和生活中，不可避免的，表面會受到各種外力的作用。工業(yè)生產(chǎn)和生活中被廣泛使用的主要障礙，就是其弱的耐久性用。通過對動植物所具有的超疏水特性的研究和分析，發(fā)現(xiàn)超兩個(gè)方面決定：(1) 表面形貌結(jié)構(gòu)；(2) 固體表面能。因此，超環(huán)境下而引起疏水性能降低也就歸因于兩個(gè)方面：第一、表面

積使之內(nèi)聚力達(dá)到平衡。當(dāng)受力達(dá)到平衡時(shí)，也就意味著液體的收縮達(dá)到平衡，此時(shí)將收縮單位長度所用的力稱為表面張力[7]。在不考慮重力情況下，當(dāng)液滴處在空氣中時(shí)，液體將收縮成球形以使表面積達(dá)到最小。對于固體而言，由于表面分子/原子自由移動的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體分子/原子，所以分子受力的不均勻性要遠(yuǎn)高于液體分子，從而造成表面具有非常高的表面張力。當(dāng)液體接觸到固體表面時(shí)，就會出現(xiàn)浸潤現(xiàn)象。若液體的表面張力（ L）比固體表面張力（ S）小時(shí)，液體會在固體表面鋪展，稱之為潤濕過程；若 L比 S大時(shí)，液體會在固體表面收縮，稱之為不潤濕過程。液體在固體表面的浸潤性可以通過接觸角 θ 做定量描述：當(dāng) θ<90°時(shí)，被認(rèn)為液體可以潤濕固體表面，并稱此固體表面具有親液特性(如圖 1-2d)；當(dāng) θ> 90°時(shí)，液滴不能潤濕固體表面，，并出現(xiàn)收縮成球的現(xiàn)象，此時(shí)固體表面被認(rèn)為具有疏液現(xiàn)象(如圖 1-2c)；特殊的，當(dāng) θ>150°時(shí)，固體表面就被稱為超疏液表面(如圖 1-2b 和 a)；當(dāng) θ< 10°時(shí)，固體表面就被稱為超親液表面(如圖 1-2e)。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB306;O647.5

【參考文獻(xiàn)】

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1 成中軍;杜明;來華;張乃慶;孫克寧;;氨氣腐蝕法制備黏附性能可控的超疏水銅表面[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào);2013年03期

2 劉建林;谷翰霖;茍飛林;蘭迪;;神奇的表面張力[J];自然雜志;2012年06期

本文編號：2613767