耐磨疏水涂层

单位代码10006

学号380270208

分类号O647.5

毕业设计(翻译)

拥有力学耐久性和易修复性的坚固的

超疏水表面

2012年6月

学院名称化学与环境学院

专业名称应用化学

学生姓名袁帅

指导教师许越

目录

1.引言 (11)

2.实验部分 (12)

2.1 材料 (12)

2.2 金属/聚合物混合超疏水涂层制备 (12)

2.3 表征方法 (13)

3.结果和讨论 (13)

4.结论 (19)

表面超疏水的自清洁材料的发展受到了自身不耐机械摩擦的限制。这里，为了解决由机械破坏引起的问题，我们制备了一种表面超疏水的金属/聚合物混合表面，它同时拥有力学耐久性和易修复性。超疏水表面的力学耐久性用摩擦测试来评价。结果显示粗糙表面的质感很牢固而且表面在经过机械摩擦后仍有很好的超疏水性。此外，当它失去超疏水性时，不浸润的特点可通过简易的再生过程来修复重现。令人惊奇的是，这种制备的金属/聚合物表面可以被用作手指可触的自清洁表面。

1.引言

超疏水表面，拥有很大的水接触角（CA）并且拥有很小的水滴粘附力，在自清洁方面有广泛的应用，例如玻璃，防水纺织品，防冰等等。在过去的几十年里，人们在通过不同方法模仿荷叶表面，人工制备超疏水表面方面做过很多尝试。然而，鲜有产品能投入实际应用因为这些表面在实际使用中很容易被外力破坏例如手指触碰，腐蚀磨损和循环冲刷。实际上，这种不好的机械耐久性已经成为了超疏水表面用作自清洁材料的主要屏障。超疏水表面的机械摩擦可以破坏提供超疏水性能的微观粗糙结构。不仅如此，机械摩擦同样可以擦出表面的疏水层，引起疏水性能的下降。在自然界，像荷叶这样的植物通过表面蜡质层破坏后的再生保持它们的疏水性。但是对于人工制造的超疏水体系来说，模仿大自然的再生来保持疏水性显然很难。因此，寻找一种方法减少机械磨损就很迫切了。目前，人们已经尝试了很多的方法去解决力学破坏的问题，但是这些方法并没有很好的前景。例如，Wong发明了一种坚固的超疏水表面通过在硅表面引入两层的粗糙表面。Su在一种弹性表面（聚亚安酯）实现了超疏水的性能来改善表面的抗摩擦性能。然而，上面提到的超疏水表面的自清洁性能的再生很难实现并且再生后水的粘附出现了增加的现象，这限制了这种表面的应用。我们把焦点集中在了生产一种同时拥有机械耐久性和易修复的超疏水表面，我们相信它可以有效并持久的解决力学损坏的问题，而且，接下来介绍的我们的工作已经成功的达到了这个目标。

在本实验中，我们引入了一种耐磨的易修复的超疏水表面来解决机械摩擦破

坏表面的问题。方法如图1.1所示。一种坚固的超疏水金属/聚合物混合表面通过热压的方法制备，通过银的沉淀和表面的氟聚合物。这个混合表面表现出了持久的超疏水性能和抗摩擦性能：高的水接触角（150o）和粗糙的表面质感在摩擦测试之后仍能很好的保持。此外，这种自清洁功能可以在沾水以后再生。我们希望通过介绍这种耐摩擦且易修复的超疏水表面可以开辟一条延长超疏水表面使用寿命的大路通往我们实际中的应用。

图1.1如图所示是我们解决机械损坏问题的方法。摩擦后的测试表面仍保持粗糙，并且新裸露出的表面同样是超疏水的，确保了持续的超疏水性。重要的是，当表面被长时间的机械摩擦破坏变得光滑后这种超疏水性可以通过一个很简单的再生过程来重现。

2.实验部分

2.1材料

超高分子量的聚乙烯（UHMWPE，分子量=3 * 106gmol-1）成光研究院化工厂（中国，成都）。铜粉（200目）北京化学试剂厂，使用前用0.5%HNO3处理。AgNO3和铜片（2cm *0.5cm * 0.1cm）中国医药对外贸易公司化学试剂公司。1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇,瑞尔欣德科技有限公司。

2.2金属/聚合物混合超疏水涂层制备

受到之前方法的启发，我们使用如下方法来构造金属/聚合物混合涂层。将0.75g超高分子量的聚乙烯置于模子里，施加2兆帕的压力10秒，形成一个松散的饼状物。之后，在圆盘表面添加1.5g铜粉，再给模具在180oC下施加4兆帕的压力30分钟。冷却后，将样品脱模后用乙醇超生几分钟将表面没有与聚合物

基体紧密结合的铜粉洗掉。将制备好的表面浸入0.02克分子量浓度的AgNO3溶液中3分钟，用去离子水冲洗，室温下，用氮气吹干。之后将样品浸入H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇（1毫克分子量浓度）乙醇溶液1分钟，之后在100oC条件下放置30分钟以上是指干燥来获得氟化表面。

为了和之前所制备的金属/聚合物表面比较机械耐磨性能，我们在铜片上制备了一个银膜。

2.3表征方法

表面机械耐磨性能用刮磨测试来评价。擦除测试在一个自制的擦除测试器上进行：1500目的砂纸用作一个摩擦表面，用作超疏水表面的测试的摩擦材料。我们使用一个球盘摩擦器做往复运动。用场发射扫描电子显微镜（FESEM）来观察表面结构，来观察擦除测试前后表面结构的变化。银层的微观结构用发射扫描电子显微镜来进行局部视角的观察。能量色散X射线分析（EDX）用一个美国赛默飞世尔科技的第六代X射线能谱仪来控制从而和FESEM联合使用。X射线光电子能谱（XPS）数据用VGESCALAB201 X射线光电子能谱仪测得。接触角和滚动叫用5微升的液滴包括水和各种有机液体在KRUSS接触角测定仪上测定。接触角和滚动角在同一个样品的5个不同位置测得的数据取平均值。小液滴的图片通过佳能数码相机获得。

3.结果和讨论

图3.1的a和b显示了银沉积之后的样品表面的扫描电镜图片。我们可以看到表面被规则的密集的被银覆盖显示出了树枝状的微观结构。高倍扫描电镜显示出由银颗粒构成的明显的树枝状结构，沿着狭长的线排成一个山脊的形状并且伴有二级枝杈。它的直径在2-5微米的范围内，长度为5-10微米。很明显可以看到许多微孔生长在树枝状的结构因此可以吸附大量的空气，这是形成一个固体-液体-气体混合界面的基础。当涂覆了全氟癸基硫醇之后，在场发射扫描电子显微镜的观察下我们没有发现表面结构的改变（图3.1c）。X射线光电子能谱仪测得的能谱在图3.1d中给出，可以看出表面进过氟化后含有碳，氧，氟，硫，铜