KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 新型超润湿性表界面材料的仿生设计制备及油水分离 | |
| Alternative Title | 无 |
| 铁璐 | |
| Thesis Advisor | 梁永民 ; 刘维民 |
| 2019-05-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 超润湿性 超疏水性 水下超疏油性 油水分离 超双疏液表面 Superwettability Superhydrophobicity Underwater superoleophobicity Oil-water separation The dual superlyophobic surfaces |
| Abstract | 超润湿性是生物体和材料表界面的重要特性，超润湿性材料的研究无论在基础研究还是实际应用方面都发挥着重要的作用。仿荷叶表面的超疏水性和仿鱼鳞表面的水下超疏油性及它们之间超润湿转换表面已通过分别单一修饰疏水和亲水及响应性材料的方式大量地制备。目前，材料表面超润湿状态的研究不仅仅局限于超疏水和水下超疏油状态，开发具有新型的超润湿状态的表面可以解决复杂环境中的表界面问题。另外，油水分离在治理水体油类污染和提高油品等应用领域发挥着重要作用，而超润湿材料在解决油水分离问题中扮演着重要的角色。本论文在深入调研前期研究的基础上，针对当前超润湿表界面材料在设计、制备和应用方面的问题，发展几种新型超润湿表面，并对其特性进行系统的研究，主要研究内容分为四个方面： 1.受沙漠甲壳虫的启发，通过调控全氟硫醇的浓度，对不同基底上的氧化铜涂层进行修饰，提出一种构筑兼得超疏水性和水下超疏油性的新型超双疏液表面的分级修饰策略。该新型超双疏液多孔表面表现出互补的优势，比如无需连续的外界刺激可实现按需油水分离。在理论上，该新型超双疏液状态存在于狭窄的表面化学范围内，因此需要对表面进行精细的修饰。另外，开发简单制备该新型超双疏液涂层的喷涂方法。在水中混合亲水纳米颗粒和氟碳表面活性剂，所得的水悬浮液简单地涂覆在各种基底上可以获得该新型超双疏液涂层。该涂层对液体冲击、砂纸磨损和酸碱处理具有较高的稳定性，同时布基涂层可以在没有连续外部刺激的情况下实现按需油水分离。 2.水、油和空气之中的一种润湿相在另一种介质相中呈现接触角在150o以上且滚动角在10o以下的超抗润湿表面已广泛设计与制备。然而，在任意两相系统中呈现出超排斥性的全超疏表面还未报道，其兼得以下六种极端的润湿特性，超疏水性、超疏油性、油下超疏水性、水下超疏油性、油下和水下超疏气性。本文通过在不同基底上喷涂含有二氧化钛、磷酸铝和全氟硅烷的悬浮液来制备全超疏表面。从广义上说，全超疏表面可以拓展到极性液体-非极性液体-空气系统，从而实现不混溶有机液体的高效按需分离。全超疏表面的开发为制备其它极端湿润表面开辟了路径，甚至涉及范围更广的有机液体体系。 3.超抗润湿性实现了从单一到多重的极端润湿状态(在水，油和空气中一种润湿相在另一种润湿介质)的发展，实现不同超润湿状态的可控制备可以解决复杂环境中的液液分离问题。本文发展一种简单的可控制备(1)水下超疏油和油下超疏水涂层，(2)空气中超疏水同时在油水体系超双疏液涂层，和(3)空气中超双疏同时在油水体系超双疏液涂层的策略。通过对表面化学的调控，即简单地调节喷涂溶液中的二氧化钛纳米颗粒和氟碳表面活性剂的比例，就可以实现从二重到四重超疏液状态的可控制备。另外，利用含氟成分最小量的超双疏液涂层可以实现按需油水分离。 4.亲水的超润湿表面在油水分离中呈现出明显的优势。然而，在非极性液体-极性液体系统中，超润湿表面很少被用来分离有机液体，尤其实现有机溶剂的按需分离。本文通过一种精细调控表面化学的方法来构筑在极性液体中超疏非极性液体且在非极性液体中超疏极性液体的超双疏液表面。在铜基表面构筑银纳米粗糙结构，在其表面混合修饰极性羟基与非极性全氟烷基硫醇，可获得上述有机介质超双疏液表面。利用一种有机液体对该表面预润湿，该有机介质超双疏液多孔表面可以选择性地拦截其它不混溶的另一种有机液体，实现高效的按需有机溶剂分离。另外，理论研究发现有机介质中的超双疏液表面的润湿性依赖于其对极性液体亲和性和表面粗糙度。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25291 |
| 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 | 铁璐. 新型超润湿性表界面材料的仿生设计制备及油水分离[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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