微纳结构超疏水表面的优化制备及其应用性能研究

【摘要】：近年来,超疏水表面因在自清洁材料、防覆冰材料、流体减阻材料、防腐蚀、微流体装置等领域具有重要的应用前景引起了极大的关注。目前,人们已经使用各种方法,如模版法、腐蚀金属法、自组装技术、一般光刻法等,调控表面微纳结构,制备出了许多人工超疏水表面,但大多方法仍需要复杂的加工工艺或特殊的加工设备。本文基于金属锌和聚四氟乙烯材料,发展了两种简单可行的可控氧化还原和激光刻蚀制备方法,制备获得了性能优异的超疏水表面,并对制备条件进行了优化,对制备的样品进行了结构表征和成分分析。进一步,我们对制得的超疏水表面进行了润湿性能、热性能等性能测试,对其在防覆冰、自清洁等领域的应用进行了初步探索。主要的研究内容和相关结论如下:1.采用简单的氧化还原反应和表面修饰处理在锌基表面制备出花瓣状和微纳粒子结合的微纳结构,通过扫描电子显微镜、接触角测量仪和傅里叶红外光谱仪对制得的超疏水表面的微纳结构、润湿性能及表面成分进行了详细的表征分析,系统分析了氧化时间、溶液浓度、修饰剂种类、修饰剂浓度和修饰时间等条件对锌基表面润湿性能的影响,对制备条件进行了优化。结果表明:在最优反应浓度和时间下,锌片表面呈现微米级的花瓣状结构,最高接触角达到157°。2.采用CO2激光刻蚀法,通过计算机控制激光加工参数,在聚四氟乙烯片表面制备具有规律分布的乳突状结构。首先通过傅立叶变换红外光谱仪和同步热分析仪表征CO2激光加工聚四氟乙烯片,进而对加工过程和机理进行深入分析。然后通过接触角测量仪对不同激光参数下制得表面的接触角进行测量,利用扫描电子显微镜观察其微纳结构,结合以上两种表征手段得出最优的激光加工参数。最后在最优激光加工参数下,通过改变激光加工间距来改变乳突状结构间距,探究不同乳突状结构间距对接触角的影响。3.研究了超疏水表面的抗覆冰和自清洁性能。分别对普通锌片和超疏水锌片、普通聚四氟乙烯片和超疏水聚四氟乙烯片进行了覆冰对比试验,对覆冰在不同表面的粘附力进行了测量和比较。分别在普通锌片和超疏水锌片表面均匀撒等量无水碳酸钙粉末,普通聚四氟乙烯片和超疏水聚四氟乙烯片表面均匀撒等量无水硫酸铜,然后在它们表面滴等量的水滴,观察不同表面粉末残留情况。最后利用接触角测量仪观察液滴在不同表面的运动情况,进而分析超疏水表面自清洁原理。
【关键词】：超疏水 可控氧化 激光刻蚀 抗覆冰 自清洁
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O647