化学刻蚀及溶胶—凝胶法制备具有纳米—微米混合结构的超疏水表面

论文摘要

近几年来,与水的接触角大于150°的超疏水表面引起了人们极大的关注,因为它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等领域中有着极其重要的应用前景。探索成本低廉、过程可控的超疏水表面的制备方法是近期研究的主要目标之一。本文使用化学刻蚀这种简单的技术,并通过低表面自由能物质修饰,成功地在铜片和铝片基体上获得了超疏水表面。这里改进了传统的化学刻蚀法,在刻蚀剂中引入了表面活性剂,改变了单一刻蚀剂在固体表面的反应机制。本文还采用溶胶-凝胶法制备出玻璃基超疏水表面。相对于传统的铝溶胶制备方法而言,我们摒弃了价格昂贵且易燃有毒的金属醇盐,而是选择了价格低廉易得的无机盐硝酸铝作为原料。该制备方法环保低碳,更有利于超疏水表面的工业化制备。采用含有十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的HNO3溶液刻蚀铜片,在其表面上得到了微米级球形刻蚀坑与纳米球共存的双层粗糙结构,该表面经氟硅烷处理后表现出超疏水性,与水滴的静态接触角达到155±2.3°。考察了不同刻蚀条件对表面疏水性的影响,结果表明,表面活性剂CTAB以及超声波对表面粗糙结构的形成及铜片表面疏水性均产生了十分重要的影响。用XPS表征该表面,结果表明成功的在铜片表面上修饰了氟硅烷。本文从理论上对在超声条件下含有CTAB的HNO3溶液的刻蚀机理进行了研究,提出了气泡辅助刻蚀机理的概念,对超疏水表面的理论研究及工业化制备都具有一定的参考价值。采用SDBS/HCl刻蚀铝片表面,在铝片表面上得到了刻蚀坑与阶梯状结构共存的复合模式,表面经过氟硅烷修饰后表现出超疏水性。在SDBS/HCl刻蚀机理的研究中,本文在位错刻蚀机理的基础上,分析了加入表面活性剂对刻蚀过程和疏水性的影响。通过测定不同pH水滴在铝基表面的静态接触角,表明所得到的铝基超疏水表面具有良好的耐腐蚀性能；通过测定该表面在不同放置时间下的接触角变化,证明该超疏水表面具有良好的稳定性。采用溶胶-凝胶法,在玻璃基表面制备出松针状结构分布的涂层,表面经过氟硅烷化处理后得到了玻璃基超疏水表面。该表面无论在150℃下加热24 h还是暴露在空气中一个月,都表现出了良好的超疏水特性。通过测定不同pH水滴在其表面的静态接触角,表明所得到的玻璃基超疏水表面具有良好的耐腐蚀性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超疏水表面的基础理论
• 1.3 超疏水表面的构筑及应用
• 1.4 超疏水表面技术中存在的问题、应用前景以及最新发展动向
• 1.4.1 超疏水表面技术存在的问题
• 1.4.2 超疏水表面技术的应用前景
• 1.4.3 超疏水表面的最新发展动向
• 1.5 本课题的研究目的和意义
• 1.6 本课题研究的总体思路
• 3化学刻蚀法制备铜基超疏水表面'>第二章 超声辅助CTAB/HNO₃化学刻蚀法制备铜基超疏水表面
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂与仪器
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.3 试样的表征方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 实验条件优化
• 2.2.2 铜基超疏水表面的表征
• 2.2.3 铜基超疏水表面的性能评价
• 2.2.4 铜基超疏水表面的形成机制
• 2.3 小结
• 第三章 SDBS/HCl化学刻蚀法制备铝基超疏水表面
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂与仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 试样的表征方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 实验条件优化
• 3.2.2 铝基超疏水表面的表征
• 3.2.3 铝基超疏水表面的性能评价
• 3.2.4 铝基超疏水表面的形成机制
• 3.4 小结
• 第四章 溶胶-凝胶法制备玻璃基超疏水表面
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂与仪器
• 4.1.2 实验方法
• 4.1.3 试样的表征方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 实验条件优化
• 4.2.2 玻璃基超疏水表面的表征
• 4.2.3 玻璃基超疏水表面性能评价
• 4.3 小结
• 第五章 结论
• 5.1 本课题所得结论
• 5.2 本课题的难点
• 5.3 本课题的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书