| 基于天然黏土矿物的超疏水、超双疏涂层的制备及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 董洁 | |
| Thesis Advisor | 张俊平 |
| 2019-05-20 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 超疏水 超双疏 凹凸棒石 玛雅蓝 光致变色 Superhydrophobic Superamphiphobic Palygorskite Maya Blue Photochromic |
| Abstract | 仿生是现代新型材料发展的主题之一。超疏水、超双疏表面作为典型的仿生材料，其研究和应用受到科研界和工业界的广泛关注。尽管经过了近20年的发展，现有超疏水、超双疏表面依然存在低表面张力液体易粘附、机械稳定性差及制备方法复杂昂贵（需合成各种纳米结构）等问题，是其研究与应用的瓶颈。因此，如何通过简单高效的方法构筑具有优异超疏液性能和机械稳定性的超疏水、超双疏表面具有重要的科学意义和现实意义。本论文采用天然纳米材料——黏土矿物构筑表面微-纳米结构，制备了一系列综合性能优异的超疏水、超双疏涂层。取得的主要研究结果如下： 1.在不同纳米结构黏土矿物（如纤维状，片状和多孔状）的存在下，通过控制1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）与正硅酸乙酯（TEOS）的水解缩合，制备了黏土矿物@有机硅烷聚合物（clay@fluoroPOS）悬浮液；再将其喷涂于基底表面，制备了超双疏涂层。研究表明，涂层的超双疏性和稳定性取决于涂层的表面形貌，可通过黏土矿物的微观结构进行调控。与片状、多孔状黏土矿物相比，具有适当长径比的纤维状黏土矿物（如凹凸棒石，PAL）是构建超双疏涂层的最佳选择。在PAL@fluoroPOS涂层表面上，正癸烷液滴具有较高的接触角（CAn-decane=153.6°）和较低的滚动角（SAn-decane=14.8°）。该涂层还具有良好的机械稳定性，经50kPa高压水冲刷30min后仍具有超双疏性能。PAL@fluoroPOS涂层可应用于抗粘附、自清洁等领域。本研究为超双疏涂层的制备开辟了一条新的道路，促进了黏土矿物功能材料与仿生特殊润湿性涂层的交叉发展。 2.PAL的产地对其棒晶形貌和理化性能有重要影响。为此，在上述研究的基础上，选择安徽、江苏和甘肃三地的5种PAL样品，通过同样的方法制备了PAL@fluoroPOS超双疏涂层。采用扫描电镜、X射线光电子能谱等多种分析技术，比较研究了涂层的微观结构、超双疏性与稳定性的差异。结果表明，涂层的超双疏性依赖于PAL的微观结构。安徽PAL样品由于棒晶长径比和镁含量较高，更适合制备超双疏涂层。该涂层不但具有优异的超双疏性（CAn-decane=155.7°，SAn-decane=14.5°），还具有良好的热稳定性，在350℃下仍能保持其超双疏性。 3.受玛雅蓝启发，将碱性红14（ABR）等有机染料分子负载于PAL上，制备了PAL/ABR等类玛雅蓝颜料。将类玛雅蓝颜料、PFDTES和TEOS相结合，通过简单的喷涂法制备了PAL/ABR@fluoroPOS等彩色超双疏涂层。采用扫描电镜、透射电镜与红外光谱等技术对涂层进行了表征分析。涂层的超双疏性取决于PAL、PFDTES和TEOS的浓度。该涂层对包括水（CAwater=166.3°，SAwater=2.2°）和正癸烷（CAn-decane=157.3°，SAn-decane=12.6°）在内的多种液体均表现出良好的超疏液性能，还具有优异的耐酸、碱和有机溶剂性能，显著优于PAL/ABR等类玛雅蓝颜料。这是因为固-液界面间存在的气垫阻挡了腐蚀性液体对涂层的破坏及fluoroPOS自身优异的化学稳定性。 4.制备了PAL/WO3纳米复合材料，WO3纳米粒子（5-10nm）均匀且牢固地附着于PAL纳米棒上，增加了WO3的比表面积和利用率。PAL/WO3涂层在UV照射（3min）和热擦除（60℃，25min）作用下具有较高的稳定性与快速可逆的变色效果。在此基础上，通过控制PAL/WO3与有机硅烷的水解缩合，制备了光致变色超疏水、超双疏涂层。有机硅烷聚合物涂层不仅可以提高涂层的褪色速度（60℃，10min），还可赋予涂层优异的超疏水（CAwater>158°）或超双疏性（CAn-hexadecane>153°）。该涂层具有独特的自清洁性能和较高的稳定性，优于传统的光致变色材料。 5.在PAL或SiO2纳米粒子存在下，通过有机硅烷的水解缩合制得了超疏水复合材料；将该复合材料与激光打印机碳粉通过球磨法进行复合，制备了超疏水碳粉；再通过激光打印机将超疏水碳粉打印到普通打印纸上，制备出了超疏水涂层。结果表明，通过优化超疏水复合材料与碳粉的质量比，当激光打印9次时，水滴在该表面具有较高的CAwater（>150°）。在球磨时引入适量的聚苯乙烯树脂，制备了聚苯乙烯/超疏水碳粉复合材料，只需打印1次，即可制备出超疏水表面（CAwater=167.5°，SAwater=2.3°），显著提升了激光打印制备超疏水涂层的效率。本研究采用激光打印机制备超疏水涂层，具有速度快、精度高等优点，更重要地是可根据计算机辅助设计打印复杂结构的超疏水表面，具有其他方法不可比拟的优势。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/26308 |
| Collection | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| 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 | 董洁. 基于天然黏土矿物的超疏水、超双疏涂层的制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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