仿生超疏水表面的制备及其性能研究

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1、摘要摘要超疏水表面因其特殊的浸润性，在自清洁、防腐蚀、抗结冰和油水分离等多种不同领域具有广泛的应用前景。目前，超疏水表面的制备通常存在所使用的设备/试剂昂贵、操作复杂、制备条件苛刻等缺点，而且有些超疏水表面化学稳定性较差。因此寻找简单有效的方法来制备化学稳定性好的超疏水表面至关重要。本课题首先采用简单的刻蚀法在铁片上制备出超疏水铁表面，研究其在自清洁和防结冰领域中的应用。其次，采用半连续种子乳液聚合法制备了具有软核硬壳结构的硅丙乳液，然后以硬脂酸为低表面能物质，纳米氧化铝构造粗糙度，制备了Al2O3/

2、水性丙烯酸酯超疏水复合涂层，将其应用于自清洁和油水分离领域中。此外，将疏水化的纳米氧化铝与硅丙乳液复合制备了改性Al2O3/丙烯酸酯超疏水复合涂层。论文中的主要研究内容和结果包括以下方面：（1）采用氯化铜刻蚀的方法在铁片表面构造出具有微-纳米尺度的粗糙结构，并用硬脂酸作为低表面能物质进行疏水化改性，制备了具有超疏水特性的铁表面。对影响超疏水铁片表面粗糙结构和润湿性能的各种因素进行了优化，当CuCl2浓度为0.005mol/L，刻蚀时间为15min，硬脂酸浓度为0.5wt%，修饰时。间为10min时，铁

3、片表面具有超疏水性，其水接触角达到153.6。考察了超疏水铁表面的耐热老化稳定性和耐酸碱性，发现该表面在温度0～100℃、pH<11范围内能保持超疏水性，有良好的稳定性。用Cassie理论对表面的润湿性进行了分析，发现水滴与超疏水铁片表面的接触面积分数只有8.6%，而与空气的接触面积分数达到91.4%。超疏水铁片应用于自清洁和防结冰领域，展现出了优异的自清洁和防结冰效果。（2）采用种子半连续乳液聚合法以甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸（AA）为主要单体，通过加入适量的有机硅A-17

4、4，制备了具有软核硬壳结构的核壳乳液。优化了有机硅改性核壳型硅丙乳液的工艺参数，当反应温度为80℃，乳化剂用量为3%，引发剂用量为0.6wt%，丙烯酸用量为2wt%，有机硅用量为4wt%且与30%的壳单体预乳化后加入时，可得到凝胶率为0.8%，转化率为93%，附着力为0级，硬度为2H，乳胶粒平均粒径为97.8nm的稳定有机硅改性核壳型丙烯酸酯乳液。考察了有机硅对乳胶膜热稳定性和疏水性的影响，发现有机硅的加入使得丙烯酸酯乳胶膜的热稳定性和水接触角都I摘要得到了提高。（3）将纳米氧化铝分散到自制的硅丙乳液

5、中，利用喷涂工艺制备得到Al2O3/水性丙烯酸酯复合涂层，然后使用廉价的低表面能物质硬脂酸进行疏水化改性，制备得到Al2O3/水性丙烯酸酯超疏水复合涂层。对影响Al2O3/水性丙烯酸酯超疏水复合涂层表面粗糙结构和润湿性能的各种因素进行了优化，当硅丙乳液与纳米氧化铝质量比为1.5:1，硬脂酸修饰时间为10min，硬脂酸浓度为3wt%时，所。。制备的超疏水涂层水接触角达到157.8，滚动角为6.4。研究了超疏水涂层在各种基底上的适用性，发现该超疏水涂层可广泛应用于玻璃、木材、铁片、纸等材质上。考察了超疏水

6、涂层的稳定性，发现超疏水涂层在高温、沸水、强酸/强碱溶液和有机溶剂污染等恶劣环境下均能保持超疏水性。用Cassie理论对表面的润湿性进行了分析，表明水滴与超疏水涂层表面的接触面积分数只有5.7%，而与空气的接触面积分数达到94.3%。探讨了超疏水涂层在自清洁和油水分离中的应用。结果表明，该涂层即使被油污染后仍具有良好的自清洁效果，将Al2O3/水性丙烯酸酯超疏水复合涂层应用于滤布上制备得到超疏水滤布，所制备的超疏水滤布具有良好的耐用性，对不同含水量的油水混合物分离效率都大于96%，而且该超疏水滤布对正

7、己烷、煤油、正十二烷、汽油和食用油等不同的油也具有高效的油水分离效率，分离效率都大于96%。（4）用硬脂酸对纳米氧化铝进行改性，然后将其分散到自制的硅丙乳液中，利用喷涂工艺制备得到改性Al2O3/丙烯酸酯超疏水复合涂层。探讨了硅丙乳液含量对涂层疏水性和成膜性的影响，当硅丙乳液与改性纳米氧化铝质量比为1:1。。时，超疏水涂层水接触角达到155.4，滚动角为5.8。考察了超疏水涂层的稳定性，发现改性Al2O3/丙烯酸酯超疏水复合涂层具有良好的耐热老化稳定性、耐酸碱性和耐溶剂性。用Cassie理论对表面的润

8、湿性进行分析，发现水滴与超疏水涂层的接触面积分数只有7.0%，而与空气的接触面积分数达到93.0%。研究了超疏水涂层在自清洁中的应用，结果表明，该超疏水涂层在空气中具有良好的自清洁效果，而且该涂层即使被油污染后仍具有良好的自清洁效果。关键词：超疏水；微纳米结构；硬脂酸；纳米氧化铝；硅丙乳液；性能IIAbstractAbstractThesuperhydrophobicsurfacehasawiderangeofapplicationprospectsin