高分子化学与物理专业优秀论文高分子化学与物理专业优秀论文 超疏水表面的结构及制备研究超疏水表面的结构及制备研究关键词：超疏水膜关键词：超疏水膜 表面构造表面构造 粗糙度粗糙度 六氟丙烯六氟丙烯 全氟烷基硅氧烷全氟烷基硅氧烷 辐射聚合辐射聚合 膜膜 分离分离 气相沉积气相沉积摘要：超疏水基础理论研究始于 20 世纪 50 年代，盛于 90 年代，一般将与水接 触角大于 120#176;的膜称为超疏水膜，也有将大于 150#176;的膜称 为超疏水膜之说。固体表面润湿性能是由固体表面原子及其堆积态所决定，与 其内部组成及分子排布无关。随着超疏水理论日臻成熟，研究证实固体的超疏 水性主要由材料表面的化学结构、聚集态、表面形貌、微构造协同作用所决定。近十年来，超疏水材料的研究十分活跃，特别是超疏水材料在汽车用、建筑 用玻璃、管道运输、航运、电磁波发射和接收等许多行业有着潜在和现实的应 用前景，促使了该研究更加受重视，超疏水理论研究及工程研究都取得了令人 瞩目的进展。尽管如此，如何在大面积、异型件表面获得超疏水性能仍然面临 巨大挑战。在大多数情况下，制备超疏水表面大多采用较特殊的手段对表面的 形貌进行人为控制，受加工设备的制约，超疏水材料的应用还面临许多亟待解 决的问题。 1)虽然经典理论 Young、Wenzel、CassieBaxter 对超疏水的原 理及影响因素能够做出一定的解释，但还是无法全面、系统地阐明超疏水性能 与表面化学性质和表面构造因子的定量关系，需要结合最新的研究成果并利用 现代计算机技术对后两个公式作进一步的探讨。 2)含氟硅材料一直作为低表 面能改性材料而被广泛的研究。CFlt;,3gt;基团作为最疏水的材料 倍受重视，六氟丙烯(CFlt;,2gt;=CFCFlt;,3gt;)作为 含有 CFlt;,3gt;和双键的气态不饱和单体，是十分理想的低表面能 改性材料，但在现有的报道中鲜见相关文献。 3)目前超疏水研究成果已取得 了瞩目的进展，然而受加工条件制约，难以对大面积、异型材料进行表面超疏 水改性。在现有的报道中，对于利用lt;#39;60gt;Co 辐照聚 合技术进行表面超疏水改性的报道很少。 4)表面的超疏水性能同时受表面化 学性质和表面的形貌所控制，目前常用刻蚀、掺杂、相分离、喷涂、模板等方 法来调控表面形貌，受加工条件制约，这些方法难以扩大应用。分离行业广泛 使用的筛网可根据需要十分容易的织成各种孔径的筛网，其形貌完全可设计可 控制。利用筛网作为基材进行表面超疏水改性研究目前见诸报道的还十分稀少。 对其进行研究可能会发现超疏水筛网新的特性并有可能带来新的发现和应用。 针对以上这些问题，本论文的主要目的是：通过对 Wenzel 和 CassieBaxter 理论的深入探讨，利用三维函数图象分析法，全面、系统地探索超疏水的形成 机理及与表面构造的内在规律。设计超疏水表面的最佳结构模型，并加以验证， 为推广应用提供理论依据。 本文的主要研究内容为： 1)采用三维函数图 象分析法，对 Wenzel 和 Cassie-Baxter 理论进行深入探讨，对决定超疏水表面 性质的因素进行分析，详细讨论了表面化学性质，粗糙度和微结构形貌对超疏 水性能的影响，利用文献资料对 Wenzel 和 CassieBaxter 理论进行验证，揭 示了两个理论的作用规律和不足之处，根据分析结论提出合理的超疏水模型。 2)利用lt;#39;60gt;Co 辐射聚合技术和化学气相沉积的方法， 在常温常压下制备了六氟丙烯-甲基丙烯酸乙酯共聚物，通过 GPC、DSC、IR、 元素分析、SEM、CAM200 等方法对共聚物进行了表征和分析。探讨辐射气相沉 积聚合制备超疏水膜的形成原理和工艺条件。 3)利用 sol-gel 技术，将全氟烷基硅氧烷溶胶牢固着床于不锈钢、锦纶、涤纶网表面，研究其表面性质、孔 径对其超疏水、亲油性质的关联性，研究油水分离网的分离机理及分离效果， 探索油水分离网的适用体系及其耐水冲刷、耐化学腐蚀、耐热老化等性能。 本文的创新之处为： 1)利用三维图像分析法，直观形象地揭示了超疏水表面 的形成因素与各相关参数间联系，分析了 Wenzel 和 cassieBaxter 理论间的 矛盾，提出了合理的解释。设计了理想的超疏水结构和简单易行的实施方案。 2)利用辐照气相沉积聚合方法，常温常压下合成了聚六氟丙烯/甲基丙烯酸乙酯 的交替共聚物，为制备超疏水膜提供了一种技术途径。 3)将辐照聚合的方法 与化学气相沉积法进行有机组合，可发挥两种方法的优势，辐射引发六氟丙烯/ 甲基丙烯酸乙酯气相沉积聚合，直接制成了具有珊瑚状构造的超疏水膜，与水 的接触角达 154#176;，工艺简单可靠。利用该技术可以对不规则，大试 件的表面进行超疏水改性。 4)采用凝胶溶胶技术，直接将含氟偶联剂固着在 编织网上，制成了超疏水超亲油网，在不需要额外动力的情况下，利用液体的 表面张力差异，能够有效地将油水分离，对甲苯的分离效率几乎达到 100。 5)选用商品筛网作为研究对象，一方面可以避免用复杂的方法来制备具有适宜 形貌基材而带来的困难；另一方面商品筛网的孔径在 0.5300m 之间可自由 选取，挑选余地太，有利于获取适宜结构、形貌的研究基材。正文内容正文内容超疏水基础理论研究始于 20 世纪 50 年代，盛于 90 年代，一般将与水接触 角大于 120#176;的膜称为超疏水膜，也有将大于 150#176;的膜称为 超疏水膜之说。固体表面润湿性能是由固体表面原子及其堆积态所决定，与其 内部组成及分子排布无关。随着超疏水理论日臻成熟，研究证实固体的超疏水 性主要由材料表面的化学结构、聚集态、表面形貌、微构造协同作用所决定。 近十年来，超疏水材料的研究十分活跃，特别是超疏水材料在汽车用、建筑用 玻璃、管道运输、航运、电磁波发射和接收等许多行业有着潜在和现实的应用 前景，促使了该研究更加受重视，超疏水理论研究及工程研究都取得了令人瞩 目的进展。尽管如此，如何在大面积、异型件表面获得超疏水性能仍然面临巨 大挑战。在大多数情况下，制备超疏水表面大多采用较特殊的手段对表面的形 貌进行人为控制，受加工设备的制约，超疏水材料的应用还面临许多亟待解决 的问题。 1)虽然经典理论 Young、Wenzel、CassieBaxter 对超疏水的原理 及影响因素能够做出一定的解释，但还是无法全面、系统地阐明超疏水性能与 表面化学性质和表面构造因子的定量关系，需要结合最新的研究成果并利用现 代计算机技术对后两个公式作进一步的探讨。 2)含氟硅材料一直作为低表面 能改性材料而被广泛的研究。CFlt;,3gt;基团作为最疏水的材料倍 受重视，六氟丙烯(CFlt;,2gt;=CFCFlt;,3gt;)作为含 有 CFlt;,3gt;和双键的气态不饱和单体，是十分理想的低表面能改 性材料，但在现有的报道中鲜见相关文献。 3)目前超疏水研究成果已取得了 瞩目的进展，然而受加工条件制约，难以对大面积、异型材料进行表面超疏水 改性。在现有的报道中，对于利用lt;#39;60gt;Co 辐照聚合 技术进行表面超疏水改性的报道很少。 4)表面的超疏水性能同时受表面化学 性质和表面的形貌所控制，目前常用刻蚀、掺杂、相分离、喷涂、模板等方法 来调控表面形貌，受加工条件制约，这些方法难以扩大应用。分离行业广泛使 用的筛网可根据需要十分容易的织成各种孔径的筛网，其形貌完全可设计可控 制。利用筛网作为基材进行表面超疏水改性研究目前见诸报道的还十分稀少。 对其进行研究可能会发现超疏水筛网新的特性并有可能带来新的发现和应用。 针对以上这些问题，本论文的主要目的是：通过对 Wenzel 和 CassieBaxter 理论的深入探讨，利用三维函数图象分析法，全面、系统地探索超疏水的形成 机理及与表面构造的内在规律。设计超疏水表面的最佳结构模型，并加以验证， 为推广应用提供理论依据。 本文的主要研究内容为： 1)采用三维函数图 象分析法，对 Wenzel 和 Cassie-Baxter 理论进行深入探讨，对决定超疏水表面 性质的因素进行分析，详细讨论了表面化学性质，粗糙度和微结构形貌对超疏 水性能的影响，利用文献资料对 Wenzel 和 CassieBaxter 理论进行验证，揭 示了两个理论的作用规律和不足之处，根据分析结论提出合理的超疏水模型。 2)利用lt;#39;60gt;Co 辐射聚合技术和化学气相沉积的方法， 在常温常压下制备了六氟丙烯-甲基丙烯酸乙酯共聚物，通过 GPC、DSC、IR、 元素分析、SEM、CAM200 等方法对共聚物进行了表征和分析。探讨辐射气相沉 积聚合制备超疏水膜的形成原理和工艺条件。 3)利用 sol-gel 技术，将全氟 烷基硅氧烷溶胶牢固着床于不锈钢、锦纶、涤纶网表面，研究其表面性质、孔 径对其超疏水、亲油性质的关联性，研究油水分离网的分离机理及分离效果， 探索油水分离网的适用体系及其耐水冲刷、耐化学腐蚀、耐热老化等性能。 本文的创新之处为： 1)利用三维图像分析法，直观形象地揭示了超疏水表面 的形成因素与各相关参数间联系，分析了 Wenzel 和 cassieBaxter 理论间的 矛盾，提出了合理的解释。设计了理想的超疏水结构和简单易行的实施方案。 2)利用辐照气相沉积聚合方法，常温常压下合成了聚六氟丙烯/甲基丙烯酸乙酯 的交替共聚物，为制备超疏水膜提供了一种技术途径。 3)将辐照聚合的方法 与化学气相沉积法进行有机组合，可发挥两种方法的优势，辐射引发六氟丙烯/ 甲基丙烯酸乙酯气相沉积聚合，直接制成了具有珊瑚状构造的超疏水膜，与水 的接触角达 154#176;，工艺简单可靠。利用该技术可以对不规则，大试 件的表面进行超疏水改性。 4)采用凝胶溶胶技术，直接将含氟偶联剂固着在 编织网上，制成了超疏水超亲油网，在不需要额外动力的情况下，利用液体的 表面张力差异，能够有效地将油水分离，对甲苯的分离效率几乎达到 100。 5)选用商品筛网作为研究对象，一方面可以避免用复杂的方法来制备具有适宜 形貌基材而带来的困难；另一方面商品筛网的孔径在 0.5300m 之间可自由 选取，挑选余地太，有利于获取适宜结构、形貌的研究基材。 超疏水基础理论研究始于 20 世纪 50 年代，盛于 90 年代，一般将与水接触角大 于 120#176;的膜称为超疏水膜，也有将大于 150#176;的膜称为超疏 水膜之说。固体表面润湿性能是由固体表面原子及其堆积态所决定，与其内部 组成及分子排布无关。随着超疏水理论日臻成熟，研究证实固体的超疏水性主 要由材料表面的化学结构、聚集态、表面形貌、微构造协同作用所决定。 近 十年来，超疏水材料的研究十分活跃，特别是超疏水材料在汽车用、建筑用玻 璃、管道运输、航运、电磁波发射和接收等许多行业有着潜在和现实的应用前 景，促使了该研究更加受重视，超疏水理论研究及工程研究都取得了令人瞩目 的进展。尽管如此，如何在大面积、异型件表面获得超疏水性能仍然面临巨大 挑战。在大多数情况下，制备超疏水表面大多采用较特殊的手段对表面的形貌 进行人为控制，受加工设备的制约，超疏水材料的应用还面临许多亟待解决的 问题。 1)虽然经典理论 Young、Wenzel、CassieBaxter 对超疏水的原理及 影响因素能够做出一定的解释，但还是无法全面、系统地阐明超疏水性能与表 面化学性质和表面构造因子的定量关系，需要结合最新的研究成果并利用现代 计算机技术对后两个公式作进一步的探讨。 2)含氟硅材料一直作为低表面能 改性材料而被广泛的研究。CFlt;,3gt;基团作为最疏水的材料倍受 重视，六氟丙烯(CFlt;,2gt;=CFCFlt;,3gt;)作为含有 CFlt;,3gt;和双键