论文摘要
超疏水表面因其在自清洁、抗结冰、油水分离、防腐等方面具有潜在应用价值而受到广泛关注。但超疏水表面受到机械破坏或化学破坏后,容易导致微纳米结构坍塌或表面化学组成改变,从而失去超疏水性能,这极大缩短了材料使用寿命,造成不必要的浪费。本论文通过分子设计和纳米技术,构建了三种具有自修复功能的超疏水表面,实现了复合材料超疏水自修复、微纳米结构自修复及超快自修复,并分别阐述了各自修复机理。本论文研究成果可为制备耐久性的超疏水表面提供一种新策略。为实现复合材料超疏水自修复,利用多巴胺黏附特性将TiO2颗粒和十二硫醇通过一步法固定到泡沫铜表面,制备出超疏水泡沫Cu/TiO2复合材料。紫外照射复合材料表面,提高泡沫Cu表面的表面能,使复合材料失去超疏水性能,表面也由超疏水状态转变为超亲水状态。通过加热的方式可促使内部十二硫醇分子迁移至表面,降低复合材料表面能,实现疏水性能的修复。该超疏水表面被紫外照射/加热循环7次后,水的接触角仍具有149.2°。利用上述亲疏水转换,仿“水黾”机器人既能在水面上漂浮也能在油水界面上漂浮,提高了水生设备应对复杂水相环境的适应能力。为实现表面微纳米结构的修复,通过邻苯二酚基团和Fe3+配位作用先制备出气凝胶,然后在表面修饰银纳米颗粒和十八胺（ODA）后得到超疏水气凝胶。该超疏水气凝胶经等离子体刻蚀破坏后,可通过加热方式恢复超疏水性能。经过11次刻蚀破坏,修复后接触角仍高达150°。另外超疏水气凝胶被切断或划伤后,通过润湿切面及加热处理,表面微纳米结构及基体实现修复,同时气凝胶超疏水性能和力学性能得以修复。邻苯二酚-Fe3+动态配位使断裂的接枝有多巴胺的海藻酸钠分子链重新交联在一起,实现气凝胶基体和力学性能的修复;而ODA分子在表面重排使疏水的烷基链暴露在空气中,实现疏水性能的修复;通过ODA融化再结晶,表面断裂的微纳米结构得以修复。为实现超疏水材料快速修复,本论文设计合成了邻苯三酚基团接枝的聚二甲基硅氧烷（PDMS-GA）,通过邻苯三酚基团和Fe3+配位交联,并在交联网络内填充导电碳黑和TiO2纳米颗粒得到超疏水导体。导体表面被等离子体刻蚀后,通电加热1 min即可将低表面能含氟硅烷迁移到导体表面,实现疏水性能恢复。经10次刻蚀,接触角仍能修复到152°。另外超疏水导体遭受切断破坏后,通电1 min即可实现导体宏观形貌、微观结构、力学性能和超疏水性能的修复。该破坏可实现多次修复,切断6次后,接触角仍能修复到153.6°,力学性能也能恢复到初始的83.1%。超快自修复的原因在于邻苯三酚-Fe3+具有的动态配位作用,高温使得两者配位能力减弱,游离出更多的PDMS-GA分子链参与PDMS-GA网络重新生成,然后在此基础上进行宏观和纳米尺度结构的重建。此外,超疏水导体还能有效延迟水滴在表面结冰,降低冰在导体表面的黏附力。采用通电方法,还可将超疏水导体表面的冰层快速除掉。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 1.2 特殊浸润表面基本理论 1.2.1 自然界中特殊浸润表面 1.2.2 超疏水表面基本理论 1.3 自修复超疏水材料研究现状 1.3.1 超疏水表面化学破坏后的自修复研究 1.3.2 超疏水表面机械破坏后的自修复研究 1.3.3 现有自修复超疏水材料存在的问题 1.4 本论文的主要研究内容第2章 实验及分析测试方法 2.1 实验材料与仪器 2.1.1 实验材料 2.1.2 实验仪器 2.2 超疏水泡沫铜及仿“水黾”机器人的制备 2.2.1 二氧化钛颗粒的制备 2.2.2 超疏水泡沫铜的制备 2.2.3 仿“水黾”机器人的制备 2.3 超疏水气凝胶的制备 2.3.1 多巴胺接枝海藻酸钠 2.3.2 超疏水气凝胶的制备 2.4 超疏水导体的制备 2.4.1 没食子酸接枝氨基硅油 2.4.2 超疏水PDMS-GA导体的制备 2.5 材料测试与表征 2.5.1 扫描电子（SEM）显微镜测试 2.5.2 透射电子（TEM）显微镜测试 2.5.3 X射线衍射（XRD）测试 2.5.4 X射线光电子能谱（XPS）测试 2.5.5 核磁共振（NMR）测试 2.5.6 静态接触角测试 2.5.7 滞后角测试 2.5.8 滚动角测试 2.5.9 黏附力测试 2.5.10 傅里叶红外光谱（FT-IR）测试 2.5.11 应力应变测试 2.5.12 玻璃化转变温度（Tg）测试2复合材料性能研究'>第3章 自修复超疏水泡沫Cu/TiO2复合材料性能研究 3.1 引言2复合材料结构表征'> 3.2 超疏水泡沫Cu/TiO2复合材料结构表征 3.2.1 超疏水复合材料成分分析 3.2.2 超疏水复合材料微观结构分析 3.3 复合材料浸润性能及黏附性能研究 3.3.1 复合材料浸润性能研究 3.3.2 复合材料黏附性能研究 3.4 复合材料耐用性能研究 3.4.1 复合材料耐超声振动研究 3.4.2 复合材料耐溶剂研究 3.5 复合材料超疏水及水下超疏油修复性能研究 3.5.1 复合材料超疏水及水下超疏油自修复性能 3.5.2 复合材料疏水修复机理 3.6 仿“水黾”机器人漂浮性能研究 3.6.1 “水黾”机器人在水面和油面上的漂浮 3.6.2 “水黾”机器人在水面和油水界面受力测试 3.6.3 “水黾”机器人在水面或油水界面受力分析 3.7 本章小结第4章 全修复超疏水气凝胶性能研究 4.1 引言 4.2 超疏水气凝胶的制备 4.3 超疏水气凝胶的结构表征及浸润性能研究 4.3.1 超疏水气凝胶表面成分分析 4.3.2 超疏水气凝胶微观结构分析 4.3.3 超疏水气凝胶浸润性能分析 4.4 制备工艺对超疏水气凝胶的影响 4.4.1 纳米Ag颗粒对超疏水气凝胶的影响 4.4.2 干燥温度对超疏水气凝胶的影响 4.4.3 ODA浓度对超疏水气凝胶的影响 4.4.4 PDMS对超疏水气凝胶的影响 4.5 超疏水气凝胶耐压缩性能研究 4.6 超疏水气凝胶化学破坏后自修复研究 4.6.1 超疏水气凝胶自修复性能 4.6.2 超疏水气凝胶疏水修复机理 4.7 超疏水气凝胶机械破坏后自修复研究 4.7.1 超疏水气凝胶修复行为研究 4.7.2 超疏水气凝胶机械性能修复研究 4.7.3 超疏水气凝胶影响修复因素 4.7.4 超疏水气凝胶修复机理研究 4.8 本章小结第5章 超快自修复超疏水导体性能研究 5.1 引言 5.2 超疏水导体结构表征 5.2.1 超疏水导体成分分析 5.2.2 超疏水导体微观结构分析 5.3 超疏水导体浸润性能研究2 质量比对超疏水导体的影响'> 5.4 Super P/TiO2质量比对超疏水导体的影响 5.5 超疏水导体焦耳效应 5.5.1 超疏水导体导电性能研究 5.5.2 超疏水导体焦耳效应研究 5.5.3 超疏水导体耐热性能研究 5.6 超疏水导体化学破坏后超快自修复研究 5.6.1 超疏水导体自修复性能 5.6.2 超疏水导体自修复机理 5.7 超疏水导体机械破坏后超快自修复研究 5.7.1 超疏水导体结构修复研究 5.7.2 超疏水导体疏水性能修复研究 5.7.3 超疏水导体机械性能修复研究 5.7.4 超疏水导体影响修复因素 5.7.5 超疏水导体超快自修复机理研究 5.8 超疏水导体抗结冰性能研究 5.8.1 超疏水导体抗结冰性能 5.8.2 超疏水导体修复性能对抗结冰性能的影响 5.8.3 超疏水导体除冰性能 5.9 本章小结结论参考文献攻读博士学位期间发表的论文及其它成果致谢个人简历
文章来源
类型: 博士论文
作者: 秦利明
导师: 周欣,潘钦敏
关键词: 超疏水表面,动态配位键,疏水修复,微结构修复,快速修复
来源: 哈尔滨工业大学
年度: 2019
分类: 工程科技Ⅰ辑
专业: 材料科学
单位: 哈尔滨工业大学
分类号: TB306
DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005169
总页数: 134
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标签：超疏水表面论文; 动态配位键论文; 疏水修复论文; 微结构修复论文; 快速修复论文;
