KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 纤维基特殊润湿性表面的制备及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 李得科 | |
| Thesis Advisor | 郭志光 ; 梁永民 |
| 2018-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 超疏水 超疏油 自修复 减摩耐磨 机械稳定性 Superhydrophobicity Superoleophobicity Self-healing Antifriction and antiwear Mechanical stability |
| Abstract | 超疏水性是固体材料表面的重要特殊浸润性之一，这种现象广泛存在于自然界的生物表界面。衡量表面浸润性最基本的物理参数是液体在固体表面上的接触角，通常认为超疏水性是指水滴在固体表面的接触角大于150°，而滚动角小于10°的特殊润湿性能。研究表明，材料表面的微观粗糙结构和低表面能是形成超疏水的主要原因。 基于自然界荷叶、水黾腿、蝴蝶翅膀以及蚊子复眼等超浸润性表面的启示，仿生构建超浸润性表面成为了近年来表界面领域的一个重要研究方向。虽然仿生超浸润性表面在自清洁、防污、减阻、防雾、抗结冰、耐腐蚀、油水分离等领域有着潜在的研究价值和广泛的应用前景。但是，大部分仿生超浸润性表面的构筑过程比较复杂，而且其表面微结构和低表面能化学物质的稳定性差、寿命短，受到外力作用时很容易失去其超浸润性，这大大限制了超浸润性材料在实际生活中的应用。如超疏水材料表面的低表面能物质在强光、氧化剂等刻蚀下被分解，或者表面的微纳米粗糙结构在机械摩擦或刮擦下被破坏，这些均会导致材料表面超疏水性能的丧失。因此，寻找简便易行的构建超浸润性表面的方法，提高超浸润性表面的稳定性和耐用性是特殊浸润性材料实现大范围应用化的迫切需求，也是表界面领域亟待解决的重要问题。 本论文在深入调研相关文献的基础上，深入分析了超疏水表面在制备和实际应用过程中存在的问题。开展了仿生超疏水纤维织物表面，超双疏纤维表面和超疏水纤维膜的设计、制备、功能化、表征与应用的系统研究工作，探究了超浸润性表面与其表面微结构和表面化学等相关因素的内在关系和影响规律，并研究了超疏水纤维织物表面的机械拉伸强度和摩擦学性能，以及外部作用（如温度、机械拉伸、紫外光以及酸碱等）下纤维织物表面特殊浸润性的自修复能力。其主要研究内容和研究结果如下： 1)以纤维织物基材，选取低表面能修饰剂，采用简单易行的原位沉积法获得微纳双级粗糙结构并以低表面能化学物质的修饰，制备具有良好超疏水性能的纤维织物材料。结果表明，以纳米颗粒作为固体润滑添加材料赋予了纤维织物复合材料良好的摩擦学性能。同时对超疏水纤维织物的抗紫外性能、自修复性能、机械拉伸性能、减摩和耐磨机理进行了探究，并探讨了表面结构和表面化学对材料超浸润性的影响，研究了纳米颗粒对纤维织物的摩擦学性能和机械性能的作用。最后，探索了超浸润性材料在自清洁、抗污、油水分离、耐洗涤、耐酸碱、抗紫外和自润滑等方面的潜在应用。 2)利用原位沉积法将SiO2/PVDF-HFP/FTOS纳米颗粒修饰于棉织物表面，制备了自修复超双疏织物。研究发现，SiO2/PVDF-HFP/FTOS纳米颗粒沉积形成的絮状微纳双级结构结合全氟类低表面能物质可以实现织物表面的超双疏性能。在气体等离子作用下超双疏性能丧失后，温度作用可以使PVDF-HFP封装的FTOS分子释放至PVDF-HFP表面，降低了织物表面自由能，实现织物表面超双疏性能的自修复。所制备织物的自修复功能及其耐磨损、耐洗涤、耐酸腐蚀和抗污性能，提高了超双疏织物表面的耐用性，其在自清洁、抗污和防腐蚀等方面具有潜在的工程应用前景。 3)利用热压法将ZIF-8成功接枝于Kevlar织物表面，ZIF-8的六边形形貌与PFOTES的低表面能协同作用构建了织物表面微纳双级结构和低表面自由能体系，从而赋予F-ZIF-8@Kevlar织物表面良好的超疏水性、减阻性和承载能力。ZIF-8的六边形薄片状结构作为固体润滑剂在摩擦磨损过程中具有很好的自润滑性能，从而实现了F-ZIF-8@Kevlar织物的减摩耐磨性能。此外，热压工艺可以实现超疏水表面的大规模制备，功能化的MOF材料拓展了其在油水分离和自润滑等领域的应用。 4)基于热水反应制备Kevlar纳米纤维丝(KNFs)，利用简单抽滤的方法制备超疏水PDMS/PVDF@KNFs膜。研究发现，基于Kevlar良好的机械强度和阻燃性，赋予制备的多孔PDMS/PVDF@KNFs膜良好的耐磨性、柔韧性、阻燃性和油水分离能力。所制备的PDMS/PVDF@KNFs膜可以地应用于可穿戴电子设备器材、水净化、过滤膜等领域。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25274 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 李得科. 纤维基特殊润湿性表面的制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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