仿生超浸润界面材料的构筑及其性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘明明
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| 答辩日期 | 2018-05-22 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 郭志光 |
| 关键词 | 仿生 超浸润 机械稳定性 自修复 乳液分离 Biomimetic Superwetting Mechanical durability Self-healing Emulsion separation |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 其他题名 | 无 |
| 英文摘要 | 受大自然生物启发而制备的超浸润界面材料，由于其独特的润湿特性，在工农业生产和人们日常生活中具有非常广泛的应用前景。然而，当前超浸润界面材料的功能设计集中在单一的润湿特性，对多功能的智能响应性的超润湿材料的设计还存在不足；超浸润界面材料的制备环节存在条件苛刻，过程繁琐，成本高昂，化学污染等问题，因而极大限制了其大规模化的生产；此外，当前制备的超浸润界面材料由于对微纳米复合结构以及低表面能物质的高度依赖，导致其表面的机械稳定性、化学稳定性和长效使役性能较差，从而限制了其商业化推广应用。本论文在深入调研文献资料的基础上，针对当前超浸润界面材料在设计、制备和应用方面存在的问题，从仿生的理念出发，制备多种具有特殊浸润性的表面，并对其功能进行了系统的研究，主要研究内容可以归纳为以下六个方面： 1.大自然鱼鳞表面具有超亲水-水下超疏油的独特润湿性质。基于此灵感，利用稀溶液化学氧化聚合的方法，将亲水的聚苯胺原位聚合生长到不同孔径的金属网、聚合物滤膜上，制备得到超亲水-水下超疏油以及水下对油滴极低粘附特性的多孔材料。改性的滤膜材料成功实现对层状油水混合物、不含表面活性剂乳液以及含有表面活性剂乳液的高效快速分离。还系统地研究了超浸润滤膜乳液分离的性能（流速、效率）与滤膜孔径、膜压差以及乳液类型之间的关系。 2.采用电化学聚合的方法，将聚苯胺、聚吡咯电聚合到不锈钢金属网表面，通过控制聚合的循环次数，实现了对金属网材孔径的调控。有趣的是，导电聚合物修饰的表面具有超越自然的润湿性：水下超疏油-油下超疏水，同时对油滴和水滴具有极低的粘附力。利用滤膜独特的润湿性和孔径可调性，我们实现了对全体系油水混合物包括：重油-水、轻油-水层状油水混合物和水包油乳液、油包水乳液的按需分离。 3.无机磷酸盐粘结剂复合多种纳米颗粒，用于构筑稳定耐磨的多功能超亲水涂层。通过喷涂的方法，可以将磷酸铝-纳米颗粒喷涂到多种基底材料上，经过高温固化处理，可以得到超亲水-水下超疏油涂层。即使经过高强度的砂纸摩擦磨损破坏，涂层依旧具有良好的机械强度和水下超疏油性质。复合的功能性二氧化钛纳米粒子赋予涂层光催化性能，不仅可以催化降解染料，还可以通过紫外光催化降解吸附在涂层表面的两亲性物质，实现涂层润湿性的光催化自修复。 4.首次将无机磷酸盐粘结剂引入到超疏水涂层的构筑体系中。利用磷酸铝的高粘结性、耐高温、化学稳定（耐酸碱盐、有机溶剂）等独特性质，将其与二氧化钛纳米颗粒，长链硅烷修饰剂复合，通过喷涂方法，在多种基底表面构筑得超疏水同时对水具有低粘附的涂层。该涂层具有优异的化学稳定性，即使在热水、热油中浸泡处理后，依旧具有优异的超疏水性能。此外，浸泡处理后的涂层即使经过高强度的砂纸破坏作用，涂层依旧保持完好，说明涂层具有优异的机械稳定性能。超疏水涂层表面经过水气浸润、等离子体轰击、两亲性物质污染后，其超疏水性能会丧失。但是经过短暂的高温热处理后，涂层又可以恢复其超疏水性，表现出自修复性质。 5.通过仿贻贝的方法，在刻蚀的不锈钢网表面包覆聚多巴胺，此后水热生长一层金属-有机框架化合物（MOF），得到的MOF涂层具有超强的吸水性能和热致变色的有趣现象。与山药的结构和润湿性质相似，制备的MOF滤膜材料具有超亲水-水下超疏油-油下超亲水的独特润湿特性，极大地丰富和扩展了超浸润的体系。此外，利用其独特的润湿性质，我们通过过滤阻油和吸附除水的方法首次分别实现了针对水包油乳液和油包水乳液的过滤按需分离。 6.在全水体系中通过一步旋涂法在各种基底表面制备聚四氟乙烯纳米涂层。进一步灌注全氟聚醚润滑油，基于两者匹配的化学组分，可以得到稳定透明的双疏表面。制备得到的润滑油填充的表面具有非常优异的液滴排斥，抗污-自清洁，抗腐蚀，抗结冰等性能。尤为重要的，包覆PTFE涂层和填充PFPE润滑油不会改变基底原有的透明度和颜色。润滑涂层即使经受一定强度的机械摩擦破坏后，表面依旧保持完整透明，依旧保持对各种液滴的排斥性能。本文提出的透明双疏涂层制备思路为防污界面材料的制备提供了一个简单，高效，普适的构筑策略。 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/25285]  |
| 专题 | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| 作者单位 | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘明明. 仿生超浸润界面材料的构筑及其性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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